第3讲射频前端

第3讲RFID物理学基础-----射频前端不接触，信息是如何传递的？RFID系统组成RFID系统组成框图实现射频能量和信息传递的电路称为射频前端电路，简称为射频前端。从电子标签到读写器之间的通信和能量感应方式来看，RFID系统一般可以分为电感耦合（磁耦合）系统（第7章介绍）和电磁反向散射耦合（电磁场耦合）系统（第8章介绍）。电感耦合系统是通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律；电磁反向散射耦合，即雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。电感耦合方式一般适合于高、低频率工作的近距离RFID系统；电磁反向散射耦合方式一般适合于超高频、微波工作频率的远距离RFID系统。一、电感耦合RFID系统电感耦合的射频载波频率为13.56MHz和小于135KHz的频段，应答器和读写器之间的工作距离小于1m，典型的作用距离为10～20cm。阅读器存储及控制电路应答器C1RsvsR1L1L2VD应答器芯片磁场HC2C3v2i阅读器如何将能量传递给应答器？应答器如何将数据传递给阅读器？8电感线圈的交变磁场安培定理指出，电流流过一个导体时，在此导体的周围会产生一个磁场。Hiaaiπ2H磁场强度：1、线圈的自感和互感读写器和电子标签线圈形式的天线相当于电感。电感有自感和互感两种。读写器线圈、电子标签线圈分别有自感，同时两者之间形成互感1）磁通量定义：磁场中穿过某一面积（S）的磁感线条数称穿过该面积的磁通量。单位：Wb（韦伯）BdSN注：在RFID系统中，读写器和电子标签的线圈通常有很多匝，假设通过一匝线圈的磁通为，线圈的匝数为N。则通过N匝线圈的总磁通为2）自感现象由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，叫自感现象。自感现象中产生的电动势叫自感电动势。通过线圈的总磁通与电流的比值称为线圈的自感，也即线圈的电感L。在RFID中，读写器的线圈和电子标签的线圈都有电感。LI3）互感现象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的电流的比值，称为两个线圈的互感。互感现象中产生的感应电动势，称为互感电动势。12121MIP151图7.3互感现象的应用：利用互感现象可以把能量从一个线圈传递到另一个线圈，因此在电工技术和电子技术中有广泛的应用如：变压器收音机里的磁性天线.收音机里的“磁性天线”利用互感现象可以把信号从一个线圈传递到另一个线圈。能量供给：阅读器天线电路应答器天线电路阅读器和应答器之间的电感耦合2、能量供给16（1）阅读器天线电路RFID阅读器的射频前端常采用串联谐振电路。串联谐振回路具有电路简单、成本低，激励可采用低内阻的恒压源，谐振时可获得最大的回路电流等特点，被广泛采用。阅读器天线设计要求：•天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量•功率匹配，以最大限度地利用磁通量的可用能量，即最大程度地输出读写器的能量•足够的带宽，保证载波信号的传输，使读写器信号无失真输出17串联谐振回路R1LRSRLICsVR1是电感线圈L损耗的等效电阻，RS是信号源sV的内阻，RL是负载电阻，回路总电阻值R=R1+RS+RL。电路的等效阻抗为)1j(wCwLRZZZZCLR当正弦电压的频率w变化时，电路的等效复阻抗Z随之变化。当感抗wL等于容抗（1/wC）时，复阻抗Z=R，串联电路的等效复阻抗变成了纯电阻，端电压与端电流同相，这时就称电路发生了串联谐振。19串联谐振回路R1LRSRLICsV1jjsssVVVIZRXRLC回路电流I10XLC串联回路的谐振条件01LC012πfLC001LLCC20R1LRSRLICsV回路的品质因数00111LLQRCRRCR品质因数是衡量电路特性的一个重要物理量，它取决于电路的参数。回路的Q值可达数十到近百，谐振时电感线圈和电容器两端电压可比信号源电压大数十到百倍，在选择电路器件时，必须考虑器件的耐压问题，21串联谐振回路具有如下特性：（1）谐振时，回路电抗X=0，阻抗Z=R为最小值，且为纯阻（2）谐振时，回路电流最大，且与Vs同相（3）电感与电容两端电压的模值相等，且等于外加电压的Q倍R1LRSRLICsV1jjsssVVVIZRXRLC当电源电压U及元件参数R、L、C都不改变时，电流幅值（有效值）随频率变化的曲线，如下图所示。当电源频率正好等于谐振频率w0时，电流的值最大，最大值为I0=U/R；当电源频率向着w＞w0或w＜w0方向偏离谐振频率w0时，阻抗∣Z∣都逐渐增大，电流也逐渐变小至零。说明只有在谐振频率附近，电路中电流才有较大值，偏离这一频率，电流值则很小，这种能够把谐振频率附近的电流选择出来的特性称为频率选择性。谐振曲线：注意：在无线电技术方面，正是利用串联谐振的这一特点，将微弱的信号电压输入到串联谐振回路后，在电感或电容两端可以得到一个比输入信号电压大许多倍的电压，这是十分有利的。但在电力系统中，由于电源电压比较高，如果电路在接近串联谐振的情况下工作，在电感或电容两端将出现过电压，引起电气设备的损坏。所以在电力系统中必须适当选择电路参数L和C，以避免发生谐振现象。线圈半径取多少合适？25电感线圈的交变磁场在电感耦合的RFID系统中，阅读器天线电路的电感常采用短圆柱形线圈结构。2011Z0Z32222iNaarBHi1Pv1=V1msin(ωt)BZ线圈arXYZO离线圈中心距离r处P点的磁感应强度的大小为：26电感线圈的交变磁场磁感应强度B和距离r的关系i1Pv1=V1msin(ωt)BZ线圈arXYZO11Z02iNaBra时ra时211Z00Z32iNarBH结论：从线圈中心到一定距离磁场强度几乎是不变的，而后急剧下降。2011Z0Z32222iNaarBH2011Z0Z32222iNaarBH线圈半径取多少合适？2011Z0Z32222iNaarBH224011011Z3232322222222iNaiNaakarararB0zdBda设r为常数，假定线圈中电流不变，则2ar令可得，Bz具有最大值的条件为：结论：增加线圈半径a会在较远距离r处获得最大场强，但r的增大，会使场强相对变小，以致影响应答器的能量供应。低频和高频的电子标签的天线用于耦合读写器的磁通，该磁通向电子标签提供能量，并在读写器与电子标签之间传递信息。电子标签天线的构造有如下要求：电子标签天线常采用并联谐振电路。并联谐振时，电路可以获得最大的电压；可最大程度的耦合读写器的能量；能根据带宽要求调整谐振电路的品质因数，满足接收的信号无失真。电子标签天线上的感应电压最大，使电子标签线圈输出最大的电压功率匹配，电子标签最大程度的耦合来自读写器的能量足够的带宽，使电子标签接收的信号无失真。（2）电子标签的天线电路30Microchip公司的13.56MHz应答器（无源射频卡）MCRF355和MCRF360芯片的天线电路Ant.AAnt.BVSSMCRF355C1C2C1C2（b）短接电容LAnt.AAnt.BVSSMCRF360L1L2（c）短接电感（具有内部谐振电容）L1L2C=100pFAnt.AAnt.BVSSMCRF355L1L2L1L2C（a）短接电感无源应答器的天线电路多采用并联谐振回路31并联谐振回路在研究并联谐振回路时，采用恒流源（信号源内阻很大）分析比较方便。R1ILPICPCSICLRPSI（a）损耗电阻和电感串联（b）损耗电阻和回路并联L并联谐振谐振条件LCωRCωLωRLωRCωLωRCωZ2j1j)j(j1)j(j1+U-RCXLXI1ICI实际中线圈的电阻很小，所以在谐振时有RLω0)(LωCωLRCCRωLCωLωZ21j1j1j则：33并联谐振回路具有如下特性：（1）谐振时，回路电抗X=0，阻抗Z=R为最大值，且为纯阻（2）谐振时，回路电流最小，端电压最大（3）支路电流是总电流的Q倍+U-RCXLXI1ICI当AntB端通过控制开关与Vss端短接时，谐振回路失谐，此时应答器虽处于阅读器的射频能量场之内，但因失谐无法获得正常工作能量，处于休眠状态。当AntB端开路时，谐振回路谐振在工作频率（13.56MHz）上，应答器可获得能量，进入工作状态。在谐振时，电感支路中电流最大，即谐振回路两端可获得最大电压，这对无源应答器的能量获取是必要的。36v2=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（3）阅读器和应答器之间的电感耦合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。应答器线圈感应电压的计算SraaitNStNtNvd2ddddddd23222102222B22ddddvNtt2NSBd电子标签感应电压与两个线圈距离的3次方成反比，因此电子标签和读写器的距离越近，电子标签的耦合的电压越大。因此，在电感耦合工作方式中，电子标签必须靠近读写器才能工作。38应答器直流电源电压的产生稳压电路整流器芯片其他电路VCCCPC2R222vv2L2应答器直流电源电压的产生电子标签可采用全波整流电路，线圈耦合得到的交变电压通过整流后直流电压。电容Cp滤除高频成分，同时作为储能元件由于电子标签和读写器的距离不断变化，使得电子标签获得交变电压也不断变化，导致整流后的直流电压不是很稳定，因此需要稳压电路。稳压电路的输出给电子标签的芯片提供所需直流电压。阅读器存储及控制电路应答器C1RsvsR1L1L2VD应答器芯片磁场HC2C3v2i电子标签终于获得了能量，但是电子标签如何向读写器传递它的信息呢？40应答器向阅读器的信息传送时采用负载调制技术R5R1C1MR2C2RLC1MR2LRL1L2RS（a）耦合电路（b）次级经过等效变换后的耦合电路1VR51VR5L1L21I2I22CCR1互感耦合回路的等效阻抗关系•••12111jZIMIV••1222j0MIZI1121122VIMZZ11222211jMVZIMZZ3．数据传输41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。ML1L2C1C2RLSRmodR2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；而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。由于Rmod的接入，使得并联电阻减小，导致品质因数降低，这使得应答器两端的电压减小。42电阻负载调制数据信息传递的原理（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（a）是应答器上控制开关S的二进制数据编码信号，（b）是应答器电感线圈上的电压波形，（c）是阅读器电感线圈上的电压波形，（d）是对阅读器电感线圈上的电压解调后的波形。43电容负载调制ML1L2C1RLSR2X1RXC2LCmod电容负载调制是用附加的电容器Cmod代替调制电阻Rmod由于接入电容Cmod，电子标签回路失谐，又由于读写器和电子标签的耦合作用，导致读写器也失谐。电容电容Cmod的接入可使电子标签线圈上的电压下降，从而导致读写器线圈上的电压的上升。电容负载调制的