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1、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13.56 MHz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。,2,4.1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
2、。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。,3,4,4.1.2串联谐振回路 1. 电路组成,R1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+RL,5,2. 谐振及谐振条件,6,串联回路的谐振条件,由此可以导出回路产生串联谐振的角频率和频率分别为,谐振回路的特性阻抗,7,3. 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
3、的Q倍。 谐振时电感L两端的电压为,8,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,9,4. 能量关系 设谐振时瞬时电流的幅值I0m为 ，则瞬时电流为,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,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,11,5. 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。,12,回路Q值越高，谐振曲线越尖锐，回路的选择性越好。,2）通频带 谐振回路的通频带通常用半功率点
4、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。,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,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。,14,4.1.3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,0为真空磁导率=410-7H/m r为相对磁导率,15,2. 环形短圆柱形线圈的磁感应强度 在电感耦合的RFID系统
5、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,N1为线圈匝数 r为离线圈中心的距离,16,1）磁感应强度B和距离r的关系,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60 dB/10倍距离。,17,2）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。,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,18,3. 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
6、应强度B的大小为,a、b分别为矩形线圈的边长,19,4.2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。,图4-8,20,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（13.56 MHz）上，应答器可获得能量，进入工作状态。 2）e5550芯片的天线
7、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。,21,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。,22,4.2.2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
8、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。,23,图4-10（a）中并联回路两端间的阻抗为,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,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,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,25,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,26,并联谐振回路谐振时的回路端电压
9、,27,并联谐振回路的通频带带宽为,4. 加入负载后的并联谐振回路,28,4.2.3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。,29,串联回路的品质因数,上式中,有,2,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,31,4.3.1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
10、总磁通量的变化率成正比。感应电压可表示为,32,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
11、路端电压的计算,34,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,距离阅读器电感线圈为r处的磁感应强度值,35,4.3.3应答器直流电源电压的产生,1. 整流与滤波 天线电路获得的耦合电压经整流电路后变换为单极性的交流信号，再经滤波电容Cp滤去高频成分，获得直流电压。滤波电容Cp同时又作为储能器件，以获得较强的负载能力。,36,2. 稳压电路 滤波电容Cp两端输出的直流电压是不稳定的，当应答器（卡）与阅读器的距离变化时，随应答器线圈L2上耦合电压的变化而变化，而应答器内的电路需要有较高稳定性的直流电源电压，因此必须采用稳压电路。
12、 稳压电路在众多书籍中都有介绍，本节不再赘述。,37,4.3.4负载调制 在RFID系统中，应答器向阅读器的信息传输采用负载调制技术 1. 耦合电路模型,耦合系数k是反映耦合回路耦合程度的重要参数,38,2. 互感耦合回路的等效阻抗关系 图4-19（b）中初级和次级回路的电压方程可写为,39,40,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。 类似地，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
13、。 这样，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。 3. 电阻负载调制 负载调制是应答器向阅读器传输数据所使用的方法。在电感耦合方式的RFID系统中，负载调制有电阻负载调制和电容负载调制两种方法。,41,电阻负载调制的原理电路如图4-21所示，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。所以在电阻负载调制时，应答器的负载电阻值有两个对应值，即RL（S断开时）和
14、RL与Rmod的并联值RL/Rmod（S闭合时）。显然，RL/Rmod小于RL。,42,1）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=0,43,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。 该结果也可从物理概念上获得，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。,2）初级回路等效电路中的端电压,44,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
15、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。,45,3）电阻负载调制数据信息传输的原理 通过前面的分析，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。,图4-23,46,4. 电容负载调制 电容负载调制是用附加的电容器Cmod代替调制电阻Rmod。其中，R2是电感
16、线圈L2的损耗电阻,47,分析次级和初级等效回路的端电压可知：电容Cmod的接入使应答器边的谐振回路失谐，因而电感线圈L2两端的电压下降，电感线圈L1两端的电压增加。 电容负载调制时，数据信息的传输过程基本同图4-23所示，只是阅读器线圈两端电压会产生相位调制的影响，但该相位调制只要能保持在很小的情况下，就不会对数据的正确传输产生影响。,48,4.4 射频滤波器的设计,微波RFID系统基本是采用电磁反向散射方式进行工作，其采用雷达原理模型，发射电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息，属于远距离RFID系统。,接收通道,发射通道,49,4.4.1滤波器的类型,50,4.4.2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。 一般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。在插入损耗法中，滤波器的响应是用插入损耗来表征的。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，用dB表示的插入损耗定义为,51,1巴特沃斯低通滤波器原型 如果滤波器在通带内的插
