第4章-RFID的射频前端..

1第4章RFID的射频前端从能量和信息传输的基本原理来说，射频识别技术在工作频率为13.56MHz和小于135kHz时，基于电感耦合方式，在更高频段基于雷达探测目标的反向散射耦合方式。电感耦合方式的基础是电感电容谐振回路和电感线圈产生的交变磁场，是射频卡工作的基本原理。反向散射耦合方式的理论基础是电磁波传播和反射的形成，用于微波电子标签。这两种耦合方式的差异在于所使用的无线电射频的频率不同和作用距离的远近，但相同的都是采用无线电射频技术。实现射频能量和信息传输的电路称为射频前端电路，简称为射频前端。24.1阅读器天线电路4.1.1阅读器天线电路的选择下图所示为3种典型的天线电路。在阅读器中，由于串联谐振回路电路简单、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，因而被广泛采用。3（a）串联谐振回路（b）并联谐振回路LCLCC1C2初级线圈次级线圈（c）具有初级和次级线圈的耦合电路44.1.2串联谐振回路1.电路组成R1LRSRLICsVR1是电感线圈L损耗的等效电阻，Rs是信号源的内阻，RL是负载电阻，回路总电阻值R=R1+Rs+RL52.谐振及谐振条件....===1+jj(-)sssVVVIZRXRLC22221()ZRXRLC1arctan()=arctanLXCRR（）6串联回路的谐振条件10XLC由此可以导出回路产生串联谐振的角频率和频率分别为01LC012πfLC谐振回路的特性阻抗001LLCC73.谐振特性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，且与电压同相。（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。谐振时电感L两端的电压为....s0000sjjjLVLVILLVRR8.....s0ss000111jjjjCVVIVQVCRCCR电容C两端的电压为Q称为回路的品质因数，是谐振时的回路感抗值（或容抗值）与回路电阻值R的比值00111LLQRCRRCR94.能量关系设谐振时瞬时电流的幅值I0m为，则瞬时电流为0sin()miIt222011sin()22LmwLiLIt222211cost)22CCsmwCvCQV（2222200211cos()cos()22mmLCIRtLItCR电感L、电容C上存储的瞬时能量10电感L和电容C上存储的能量和为2012LCmw是一个不随时间变化的常数，说明回路中存储的能量保持不变，只在线圈和电容器间相互转换。从能量的角度看，品质因数Q可表示为2πQ回路储能每周期耗能115.谐振曲线和通频带1）谐振曲线回路中电流幅值与外加电压频率之间的关系曲线，称为谐振曲线。..000000111+j(-)1j()1j()IRLIRLQCR22220000111211()1()mmIIQQ12回路Q值越高，谐振曲线越尖锐，回路的选择性越好。1Im/IomQ1Q1Q2ω0ωQ22）通频带谐振回路的通频带通常用半功率点的两个边界频率之问的间隔表示，半功率点的电流比为0.707。10.707ωIm/Iomω0ω1ω20串联谐振回路的谐振曲线串联谐振回路的通频带13通频带BW为200.700212()2BW2π2π2π2πfQQ由此可见，Q值越高，通频带越窄（选择性越强）。在RFID技术中，为保证通信带宽在电路设计时应综合考虑Q值的大小。144.1.3电感线圈的交变磁场1.磁场强度H和磁感应强度B安培定理指出，当电流流过一个导体时，在此导体的周围会产生磁场，如图4-5所示。对于直线载流体，在半径为a的环行磁力线上，磁场强度H是恒定的，磁场强度H与磁感应强度B分别为(A/m)2πiHa0rBHμ0为真空磁导率=4π×10-7H/mμr为相对磁导率152.环形短圆柱形线圈的磁感应强度在电感耦合的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，如图4-6所示。离线圈中心距离为r处P点的磁感应强度的大小为20110223/22()zziNaBHari1Pv1=V1msin(ωt)BZ线圈arXYZON1为线圈匝数r为离线圈中心的距离161）磁感应强度B和距离r的关系110)2ziNBraa（211003)2zziNaBHrar（上面的关系可以表述为：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，其衰减大约为60dB/10倍距离。172）最佳线圈半径a设r为常数，并简单地假定线圈中电流不变，讨论a和BZ的关系。24011223/22232()()ziNaaBkarar2ar上式对a求导，求Bz的极值，可得为最大值结论：当线圈半径a一定时，在r=0.707a处可获得最大场强183.矩形线圈的磁感应强度矩形线圈在阅读器和应答器的天线电路中经常被采用，在距离线圈为r处的磁感应强度B的大小为01222222211(/2)(/2)4π(/2)(/2)NiabBarbrabra、b分别为矩形线圈的边长194.2应答器天线电路4.2.1应答器天线电路的连接1）MCRF355和MCRF360芯片的天线电路Microchip公司的13.56MHz应答器（无源射频卡）芯片MCRF355和MCRF360的天线电路接线示意图如下图4-8所示。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）短接电感图4-820当Ant.B端通过控制开关与Vss端短接时，谐振回路与工作频率失谐，此时应答器芯片虽然已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所需能量，处于休眠状态。当Ant.B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。2）e5550芯片的天线电路e5550是工作频率为125kHz的无源射频卡芯片，其天线电路的连接比较简单，如图4-9所示，电感线圈和电容器为外接。除此之外，e5550芯片还提供电源（Vdd和Vss）和测试（Testl，Test2，Test3）引脚，供测试时快速编程和校验，在射频工作时不用。21VddLTestC天线1天线2VSS1.47mm2.37mm从上面两例可以看到，无源应答器的天线电路多采用并联谐振回路。从后面并联谐振回路的性能分析中可以知道，并联谐振称为电流谐振，在谐振时，电感和电容支路中电流最大，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。224.2.2并联谐振回路1.电路组成与谐振条件串联谐振回路适用于恒压源，即信号源内阻很小的情况。如果信号源的内阻大（采用恒流源），应采用并联谐振回路。R1ILPICPCSICLRPSI（a）损耗电阻和电感串联（b）损耗电阻和回路并联L23图4-10（a）中并联回路两端间的阻抗为111111(j)1jL)111(j)j()j()jLRLCCZRCRRLRLCCCLL（》可得另一种形式的并联谐振回路，如图4-10（b）所示。导纳Y可表示为111jj()pCRYgbjbCRLL..1/()sPVILCR当并联谐振回路的电纳b=0时（电阻=∞），回路两端电压24由b=0，可以推得并联谐振条件为1PLC12πPfLC2.谐振特性（1）并联谐振回路谐振时的谐振电阻Rp为纯阻性。并联谐振回路谐振时的谐振电阻Rp为2211PPLLRCRR1111111PPPLLQRRCRCR品质因数（为特性阻抗）251PPPPPRQLQC在谐振时，并联谐振回路的谐振电阻等于感抗值（或容抗值）的Qp倍，且具有纯阻性。（2）谐振时电感和电容中电流的幅值为外加电流源的Qp倍。3.谐振曲线和通频带并联谐振回路的电压....11j()1j()sspsppppIRIVIZCQRL26并联谐振回路谐振时的回路端电压..sPVIR..P11j()PPPVVQ211mPmPPPVVQarctanPPPQ27并联谐振回路的通频带带宽为0.70.7BW222πPPffQ4.加入负载后的并联谐振回路1PPPsLQQRRRR284.2.3串、并联阻抗等效互换为了分析电路的方便，经常需要用到串、并联阻抗等效互换。所谓“等效”就是指在电路的工作频率为f时，从图4-12的AB端看进去的阻抗相等。ABR1X1RxABX2R2（a）串联电路（b）并联电路22222222112222222222(j)jjjxRXRXRXZRRXRXRXRX2222122222221/xRXRRRRXRX2222122222221/RXXXRXXR29串联回路的品质因数12112xXRQRRX22212212=1xRRXRRQQR（高Q值时）2122111XXXQ2222122222221/xRXRRRRXRX上式中有22222122222221/RXXXRXXR由有30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。4.3阅读器和应答器之间的电感耦合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B314.3.1应答器线圈感应电压的计算应答器线圈上感应电压的大小和穿过导体所围面积的总磁通量的变化率成正比。感应电压可表示为22ddddvNtt2N总磁通量dBS每匝磁通量32201122223/222ddddcosdddd2iaNvNNBSNStttar20121123/222dd=0dd2NNaSiivMttar当时20123/2222NNaSMar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。33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。因此，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（读距离和写距离可能会不同，通常读距离大于写距离）。4.3.2应答器谐振回路端电压的计算v2应答器芯片R2C22vRLL2L2R2i2C2LR2vv234由于L2，C2回路的谐振频率和阅读器电压v1的频率相同，也就是和v2的频率相同，因此电路处于谐振状态，所以有2'0121223/222dd2NNaSivvQQtar11sinmiIt11d/dcosmitIt2'0122123/222cos2π2mzNavQNSItfNSQBar20113/222cos2zmNaBItar距离阅读器电感线圈为r处的磁感应强度值354.3.3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v2L21.整流与滤波天线电路获得的耦合电压经