第4章 RFID 系统工作原理 -射频前端不接触，信息是如何传递的不接触，信息是如何传递的？RFID系统组成系统组成l RFIDRFID系统组成框图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，简称为射频前端射频前端l从电子标签到读写器之间的通信和能量感应方式来看，从电子标签到读写器之间的通信和能量感应方式来看，RFIDRFID系统一般可以分为系统一般可以分为电感耦合（磁耦合）电感耦合（磁耦合）系统和系统和电磁反电磁反向散射耦合（电磁场耦合）向散射耦合（电磁场耦合）系统l电感耦合系统是通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的电感耦合系统是通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是是电磁感应定律电磁感应定律；电磁反向散射耦合，即；电磁反向散射耦合，即雷达原理雷达原理模型，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，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依据的是电磁波的空间传播规律l电感耦合方式一般适合于电感耦合方式一般适合于高高、低频率工作的、低频率工作的近近距离距离RFIDRFID系系统；电磁反向散射耦合方式一般适合于统；电磁反向散射耦合方式一般适合于超超高频、微波工作高频、微波工作频率的频率的远远距离距离RFIDRFID系统。
系统一、一、 电感耦合电感耦合RFIDRFID系统系统l电感耦合的射频载波频率为电感耦合的射频载波频率为13.56MHz13.56MHz和小于和小于135KHz135KHz的频段，的频段，应答器和读写器之间的工作距离小于应答器和读写器之间的工作距离小于1m1m，典型的作用距离，典型的作用距离为为101020cm 20cm 阅读器如何将阅读器如何将能量能量传递给应答器？传递给应答器？应答器如何将应答器如何将数据数据传递给阅读器？传递给阅读器？l电感线圈的交变磁场电感线圈的交变磁场l安培定理指出，电流流过一个导体时，在此导安培定理指出，电流流过一个导体时，在此导体的周围会产生一个磁场体的周围会产生一个磁场 磁场强度：磁场强度：81、线圈的自感和互感、线圈的自感和互感读写器和读写器和电子标签电子标签 形式形式的天线相当于的天线相当于电感电感有自感和互感两种电感有自感和互感两种读写器线圈、电子标签线圈读写器线圈、电子标签线圈分别有分别有 ，同时两者同时两者之间形成之间形成 自感自感互感互感线圈线圈1）磁通量定义：定义：定义：定义：磁场中穿过磁场中穿过磁场中穿过磁场中穿过某一面积某一面积某一面积某一面积（S S S S）的磁感线的磁感线的磁感线的磁感线条数条数条数条数称穿过该称穿过该称穿过该称穿过该面积的磁通量。
单位：面积的磁通量单位：面积的磁通量单位：面积的磁通量单位：WbWbWbWb（韦（韦（韦（韦伯）伯）伯）伯）注：在注：在RFIDRFID系统中，读写器和电子标签的线圈通常有很多系统中，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匝，假设通过一匝线圈的磁通为 ，线圈的匝数为，线圈的匝数为N N则通过通过N N匝线圈的总磁通为匝线圈的总磁通为2）自感现象）自感现象l由于导体由于导体本身的电流本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，发生变化而产生的电磁感应现象，叫叫自感自感现象现象l自感自感现象中产生的电动势叫现象中产生的电动势叫自感自感电动势电动势l通过通过线圈的总磁通与电流的比值称为线圈的自感，也即线圈的总磁通与电流的比值称为线圈的自感，也即线圈的电感线圈的电感L Ll在在RFIDRFID中，读写器的线圈和电子标签的线圈都有电感中，读写器的线圈和电子标签的线圈都有电感3 3）互感现象）互感现象l当第一个线圈上的电流产生磁场，并且该磁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，称为两磁通与第一个线圈上的电流的比值，称为两个线圈的个线圈的互感互感。
互感现象中产生的感应电动势，称为互感电动势互感现象中产生的感应电动势，称为互感电动势互感现象的应用： 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个线圈，因此在电工技术和电子技术中有广泛的应用如：如：变压器变压器收音机里的磁性天线收音机里的磁性天线. . 收音机里的收音机里的“磁性天线磁性天线”利用互感现象可以把信号利用互感现象可以把信号从一个线圈传递到另一个线圈从一个线圈传递到另一个线圈能量供给：能量供给：l阅读器天线电路阅读器天线电路l应答器天线电路应答器天线电路l阅读器和应答器之间的电感耦合阅读器和应答器之间的电感耦合2 2、能量供给能量供给（1 1）阅读器天线电路）阅读器天线电路 RFIDRFID阅读器的射频前端常阅读器的射频前端常采用串联谐振电路采用串联谐振电路串联谐振回路具有电路简串联谐振回路具有电路简单、成本低，激励可采用低单、成本低，激励可采用低内阻的恒压源，谐振时可获内阻的恒压源，谐振时可获得最大的回路电流等特点，得最大的回路电流等特点，被广泛采用被广泛采用 阅读器天线阅读器天线设计要求：设计要求：天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量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，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号无失真输出16l串联谐振回路串联谐振回路R1是电感线圈是电感线圈L损耗的等损耗的等效电阻，效电阻，RS是信号源是信号源的内阻，的内阻，RL是负载电阻，是负载电阻，回路总电阻值回路总电阻值R=R1+RS+RL。
17电路的等效阻抗为电路的等效阻抗为 当正弦电压的频率当正弦电压的频率w变化时，电路的等效复变化时，电路的等效复阻抗阻抗Z 随之变化随之变化 当感抗当感抗wLwL等于容抗（等于容抗（1/wC1/wC）时，复阻抗）时，复阻抗Z = Z = R R，串联电路的等效复阻抗变成了纯电阻，端电，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压与端电流同相，这时就称电路发生了串联谐串联谐振 l串联谐振回路回路电流 串联回路的谐振条件 19回路的品质因数 品质因数品质因数是衡量电路特性的一个重要物理量，它取决于电是衡量电路特性的一个重要物理量，它取决于电路的参数路的参数回路的回路的Q Q值可达数十到近百，谐振时电感线圈和电值可达数十到近百，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，时，必须考虑器件的耐压问题， 20l串联谐振回路具有如下特性：串联谐振回路具有如下特性：（1 1）谐振时，回路电抗）谐振时，回路电抗X X=0=0，阻，阻抗抗Z Z= =R R为最小值，且为纯阻为最小值，且为纯阻（2 2）谐振时，回路电流最大，）谐振时，回路电流最大，且与且与VsVs同相同相（3 3）电感与电容两端电压的模）电感与电容两端电压的模值相等，且等于外加电压的值相等，且等于外加电压的Q Q倍倍21 当电源电压当电源电压U U及元件参数及元件参数R R、L L、C C都不改变时，电流都不改变时，电流幅值（有效值）随频率变化的曲线，如下图所示。
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当电源频率正好等于谐振频率频率w0时，电流的值最大，最时，电流的值最大，最大值为大值为I0 = U/R；当电源频率；当电源频率向着向着ww0或或ww0方向偏离方向偏离谐振频率谐振频率w0时，阻抗时，阻抗 Z 都逐都逐渐增大，电流也逐渐变小至零渐增大，电流也逐渐变小至零说明只有在谐振频率附近，电说明只有在谐振频率附近，电路中电流才有较大值，偏离这路中电流才有较大值，偏离这一频率，电流值则很小，这种一频率，电流值则很小，这种能够把谐振频率附近的电流选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择出来的特性称为频率选择性 n 谐振曲线：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的损坏所以在电力系统中必须适当选择电路参数L L和和C C，以避免发生谐振现象以避免发生谐振现象线圈半径取多少合适？l电感线圈的交变磁场电感线圈的交变磁场l在电感耦合的在电感耦合的RFID系统中，阅读器天线电路的系统中，阅读器天线电路的电感常采用短圆柱形线圈结构电感常采用短圆柱形线圈结构 离线圈中心距离离线圈中心距离r处处P点的磁感点的磁感应强度的大小为：应强度的大小为：25l电感线圈的交变磁场电感线圈的交变磁场l磁感应强度磁感应强度B和距离和距离r的关系的关系ra时 结论：从线圈中心到一定距离磁场强度结论：从线圈中心到一定距离磁场强度几乎几乎是不变的，而后急剧下降是不变的，而后急剧下降26线圈半径取多少合适？设设r为常数，假定线圈中电流不变，则为常数，假定线圈中电流不变，则令可得，可得，Bz具有最大值的条件为：具有最大值的条件为：结论：增加线圈半径结论：增加线圈半径a a会在较远距离会在较远距离r r处获得最大场强，但处获得最大场强，但r r的的增大，会使场强相对变小，以致影响应答器的能量供应增大，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，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。
间传递信息电子标签天线的构造有如下要求：电子标签天线的构造有如下要求：电子标签天线常采用电子标签天线常采用并联谐振电路并联谐振电路并联谐振时，电并联谐振时，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，使电子标签线电子标签天线上的感应电压最大，使电子标签线圈圈输出最大的电压输出最大的电压 功率匹配，电子标签最大程度的耦合来自读写器功率匹配，电子标签最大程度的耦合来自读写器的能量的能量 足够的带宽，使电子标签接收的信号无失真足够的带宽，使电子标签接收的信号无失真2）电子标签的天线电路）电子标签的天线电路 lMicrochip Microchip 公司的公司的13.56 MHz13.56 MHz应答器（无源射频卡）应答器（无源射频卡）MCRF355MCRF355和和MCRF360MCRF360芯片的天线电路芯片的天线电路 无源应答器的天线电路多采用并联谐振回路30l并联谐振回路并联谐振回路l在研究并联谐振回路时，采用恒流源（信号源内阻很大）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。
分析比较方便 31 并联谐振并联谐振谐振条件谐振条件谐振条件谐振条件+-实际中线圈的电阻很小，所以在谐振时。