物联网射频识别(RFID)技术与应用---第4章

物联网射频识别（RFID）技术与应用第4章RFID射频前端电路点击此处结束放映RFID电感耦合方式的射频前端4.1RFID电磁反向散射方式的射频前端4.2物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用RFID电感耦合方式的射频前端4.1点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用低频和高频RFID采用电感耦合方式进行工作。在这种工作方式中，线圈形式的天线相当于电感，电感线圈产生交变磁场，使读写器与电子标签之间相互耦合，构成了电感耦合的工作方式。同时，线圈产生的电感与射频电路中的电容组合在一起，形成谐振电路，谐振电路可以实现低频和高频RFID能量和数据的传输。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用4.1.1线圈的自感和互感1.磁通量磁感应强度B通过曲面S的通量称为磁通量，为（4.1）图4.1通过一个闭合回路的磁通量SΦSBd点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用2.线圈的电感在RFID中，读写器的线圈与电子标签的线圈都有电感。线圈的电感为（4.3）IL点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用3.线圈的互感两个线圈之间有互感。互感定义为（4.5）图4.4读写器与电子标签之间的互感11212IM点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用4.1.2RFID读写器的射频前端对读写器天线电路的构造有如下要求。（1）读写器天线上的电流最大，使读写器线圈产生最大的磁通；（2）功率匹配，最大程度地输出读写器的能量；（3）足够的带宽，使读写器信号无失真输出。因此，RFID读写器的射频前端常采用串联谐振电路。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用图4.5读写器的射频前端图4.6串联谐振电路点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用1.谐振频率只有当频率为某一特殊值时，才能产生谐振，此频率称为谐振频率。谐振频率为(4.9)LCf210点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用2.品质因数品质因数定义为(4.10)串联谐振电路的品质因数为(4.11)功率损耗平均储能0QRLQ0点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用3.输入阻抗在谐振频率，电感的感抗和电容的容抗相互抵消，输入阻抗为(4.13)在其它频率，输入阻抗为复数。RZin点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用4.带宽图4.7串联谐振电路的带宽带宽可以由品质因数和谐振频率求得，如果品质因数越高，则相对带宽越小。(4.16)点击此处结束放映QBW012物联网射频识别（RFID）技术与应用5.有载品质因数实际应用中，谐振电路总是要与外负载相耦合，由于外负载消耗能量，使有载品质因数下降。无载品质因数、外部品质因数和有载品质因数关系为(4.19)eLQQQ111点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用4.1.3RFID电子标签的射频前端图4.8电子标签射频前端天线电路的结构点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用RFID电子标签的射频前端常采用并联谐振电路。并联谐振电路如图4.9所示，由电阻、电感和电容并联而成。图4.9并联谐振电路点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用例4.1设计一个由理想电感和理想电容构成的并联谐振电路，要求在负载及时，有载品质因数。讨论通过改变电感和电容值提高有载品质因数的途径。解有载品质因数为50LRMHz56.13f1.1LQ1.10LRQLL点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用所以电感为谐振时的角频率为所以电容为nH5.5331056.1321.1506LLCf1200pF2581056.132105.5331269C点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用可以通过将电感值降低倍同时将电容值提高倍的方法来提高有载品质因数。例如，电感、电容和有载品质因数分别为nnH26725.533Ln2n2.221.1LQpF5162258C点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用4.1.4读写器与电子标签的电感耦合1.电子标签的感应电压当电子标签进入读写器产生的磁场区域后，电子标签的线圈上就会产生感应电压，电子标签获得的能量可以使标签开始工作。图4.12电子标签并联谐振的等效电路点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用2.电子标签的直流电压电子标签通过与读写器电感耦合，产生交变电压，该交变电压通过整流、滤波和稳压后，给电子标签的芯片提供所需的直流电压。图4.13电子标签交变电压转换为直流电压点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用4.1.5RFID负载调制技术负载调制通过对电子标签振荡回路的电参数按照数据流的节拍进行调节，使电子标签阻抗的大小和相位随之改变，从而完成调制的过程。负载调制技术主要有电阻负载调制和电容负载调制两种方式。点击此处结束放映2020/4/21电阻负载调制物联网射频识别（RFID）技术与应用电子标签数据的二进制数据编码电子标签线圈两端的电压读写器线圈两端的电压读写器线圈解调后的电压图4.15电阻负载调制的波形变化过程点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用图4.15（a）为电子标签数据的二进制数据编码，图4.15（b）为电子标签线圈两端的电压，图4.15（c）为读写器线圈两端的电压，图4.15（d）为读写器线圈解调后的电压。可以看出，图4.15（a）与图4.15（d）的二进制数据编码一致，表明电阻负载调制完成了信息传递的工作。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用RFID电磁反向散射方式的射频前端4.2点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用4.2.1微波射频前端的一般框图点击此处结束放映微波RFID的射频前端主要包括发射机电路和接收机电路，需要处理收、发两个过程。天线接收到的信号通过双工器进入接收通道，然后通过带通滤波器进入放大器，这时信号的频率还为射频；射频信号在混频器中与本振信号混频，生成中频信号；中频信号的频率为射频与本振信号频率的差值，混频后中频信号的频率比射频信号的频率大幅度降低。发射的过程与接收的过程相反，在发射的通道中首先利用混频器将中频信号与本振信号混频，生成射频信号；然后将射频信号放大，并经过双工器由天线辐射出去。在上述过程中，滤波、放大、本地振荡器和混频都属于射频前端电路的范畴。物联网射频识别（RFID）技术与应用4.2.2射频滤波器1.滤波器的类型滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器4种基本类型。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用2.低通滤波器原型低通滤波器原型是设计滤波器的基础，集总元件低通、高通、带通、带阻滤波器以及分布参数滤波器，可以根据低通滤波器原型变换而来。插入损耗作为考察滤波器的指标，用来讨论低通滤波器原型的设计方法。插入损耗定义为来自源的可用功率与传送到负载功率的比值。（4.22）211lg10inIL点击此处结束放映2020/4/21反射系数Γ（reflectioncoefficient）为反射电压与入射电压之比，其公式为：(Z1-Z0)/(Z1+Z0)其中：Z1反射点等效阻抗值Z0电缆的特性阻抗。=20lgoiUU或物联网射频识别（RFID）技术与应用（1）巴特沃斯低通滤波器原型如果滤波器在通带内的插入损耗随频率的变化是最平坦的，这种滤波器称为巴特沃斯（最平坦）滤波器。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用（2）切比雪夫低通滤波器原型如果滤波器在通带内有等波纹的响应，这种滤波器称为切比雪夫滤波器，也称为等波纹滤波器。点击此处结束放映2020/4/21•（a）巴特沃斯（b）切比雪夫低通滤波器原型电路滤波器的结构可以为下图2020/4/21342.π型和T滤波匹配网络RPC2RLL1C1RLL1C1L2RPπ型滤波匹配网络T型滤波匹配网络C2RLL11C1L12RPR’L低阻变高阻高阻变低阻恰当选择两个L型网络的Q值，就可兼顾滤波和阻抗匹配的要求。2020/4/21可以求出N元件低通滤波器原型的元件取值如下：最平坦低通滤波器原型的元件取值（g0=1，N=1至10）2020/4/212020/4/21物联网射频识别（RFID）技术与应用3.滤波器的变换及集总参数滤波器对低通滤波器原型进行反归一化设计，可以变换到任意源阻抗和任意频率的低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。（1）滤波器的变换滤波器的变换包括阻抗变换和频率变换2个过程，以满足实际的源阻抗和工作频率。点击此处结束放映2020/4/21将归一化频率变换为实际频率，相当于变换原型中的电感和电容值。通过频率变换，不仅可以将低通滤波器原型变换为低通滤波器，而且可以将低通滤波器原型变换为高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。下面分别加以讨论。2020/4/21•若实际的源电阻为RS，令变换后实际滤波器的元件值用下面带撇号的符号表示：''''1,,,sSSLSLSCLCRRLRRRRR2020/4/211.低通滤波器原型变换为低通滤波器将低通滤波器原型的截止频率由1改变为ωc（ωc≠1），在低通滤波器中需要用ω/ωc代替低通滤波器原型中的ω，即'''',cccccjLjCLjXjLjCjBjCjLLCC带入低通滤波器原型的串联阻抗和并联导纳中，可确定低通滤波器元件值：''sccLCsRLCR当频率和阻抗都变换时，低通滤波器的元件值2020/4/21•图低通滤波器原型到低通滤波器的频率变换2020/4/212.低通滤波器原型变换为高通滤波器将低通滤波器原型变换为高通滤波器，在高通滤波器中需要用－ωc/ω代替低通滤波器原型中的ω，ωc为高通滤波器的截止频率，即式中负号可实现电感转换为电容，电容转换为电感。这种频率变换可以将低通滤波器原型的变换为高通滤波器，带入到低通滤波器原型的串联阻抗jwL和并联导纳jwC中，可确定高通滤波器的元件值：c0''''1111ccccjXjLLjjBjCCjCCLL''1sccCLsRLCR当频率和阻抗都变换时，低通滤波器的元件值2020/4/21•图低通滤波器原型到高通滤波器的频率变换2020/4/21•图低通滤波器原型变换到带通和带阻的频率变换3.低通滤波器原型变换为带通和带阻滤波器低通滤波器原型也能变换到带通和带阻滤波器响应的情形。2020/4/21•用ω1和ω2表示带通滤波器通带的边界，将低通滤波器原型变换为带通滤波器，需要用下面的频率变换关系2020/4/21（2）频率变换•2020/4/214.分布参数滤波器的设计前面讨论的滤波器是由集总元件电感和电容构成，当频率不高时，集总元件滤波器工作良好。但当频率高于500Mz时，滤波器通常由分布参数元件构成，这是由于两个原因造成的，其一是频率高时电感和电容应选的元件值过小，由于寄生参数的影响，如此小的电感和电容已经不能再使用集总参数元件。其二是此时工作波长与滤波器元件的物理尺寸相近，滤波器元件之间的距离不可忽视，需要考虑分布参数效应。2020/4/21本节讨论采用短截线方法，将集总元件滤波器变换为分布参数滤波器，其中理查德（Richards）变换用于将集总元件变换为传输线段，科洛达（Kuroda）规则可以将各滤波器元件分隔。2020/4/21理查德变换通过理查德变换，可以将集总元件的电感和电容用一段终端短路或终端开路的传输线等效。终端短路和终端开路传输线的输入阻抗具有纯电抗性，利用传输线的这一特性，可以实现集总元件到分布参数元件的变换。2020/4/21科洛达规则科洛达规则是利用附加的传输线段，得到在实际上更容易实现的滤波器。例如，利用科洛达规则既可以将串联短截线变换为并联短截