第6章(4学时)RFID的射频前端

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。当前第1页\共有51页\编于星期五\21点当前第2页\共有51页\编于星期五\21点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）系统和电磁反向散射耦合（电磁场耦合）系统。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。当前第3页\共有51页\编于星期五\21点当前第4页\共有51页\编于星期五\21点一、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。当前第5页\共有51页\编于星期五\21点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？当前第6页\共有51页\编于星期五\21点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。磁场强度：7当前第7页\共有51页\编于星期五\21点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当前第8页\共有51页\编于星期五\21点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）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匝线圈的总磁通为当前第9页\共有51页\编于星期五\21点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。当前第10页\共有51页\编于星期五\21点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。当前第11页\共有51页\编于星期五\21点互感现象的应用：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：变压器当前第12页\共有51页\编于星期五\21点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。当前第13页\共有51页\编于星期五\21点能量供给：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、能量供给当前第14页\共有51页\编于星期五\21点（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15当前第15页\共有51页\编于星期五\21点串联谐振回路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。16当前第16页\共有51页\编于星期五\21点电路的等效阻抗为当正弦电压的频率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。

当前第17页\共有51页\编于星期五\21点串联谐振回路回路电流

串联回路的谐振条件

18当前第18页\共有51页\编于星期五\21点回路的品质因数

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，19当前第19页\共有51页\编于星期五\21点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20当前第20页\共有51页\编于星期五\21点当电源电压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：当前第21页\共有51页\编于星期五\21点注意：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。当前第22页\共有51页\编于星期五\21点线圈半径取多少合适？当前第23页\共有51页\编于星期五\21点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。离线圈中心距离r处P点的磁感应强度的大小为：24当前第24页\共有51页\编于星期五\21点电感线圈的交变磁场磁感应强度B和距离r的关系r<<a时r>>a时结论：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。25当前第25页\共有51页\编于星期五\21点线圈半径取多少合适？当前第26页\共有51页\编于星期五\21点设r为常数，假定线圈中电流不变，则令可得，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。当前第27页\共有51页\编于星期五\21点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当前第28页\共有51页\编于星期五\21点Microchip公司的13.56MHz应答器（无源射频卡）MCRF355和MCRF360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29当前第29页\共有51页\编于星期五\21点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。30当前第30页\共有51页\编于星期五\21点并联谐振谐振条件+-实际中线圈的电阻很小，所以在谐振时有则：当前第31页\共有51页\编于星期五\21点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+-32当前第32页\共有51页\编于星期五\21点当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。当前第33页\共有51页\编于星期五\21点重点来了，别打瞌睡啰！当前第34页\共有51页\编于星期五\21点（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。

35当前第35页\共有51页\编于星期五\21点应答器线圈感应电压的计算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。当前第36页\共有51页\编于星期五\21点应答器直流电源电压的产生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。37当前第37页\共有51页\编于星期五\21点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？当前第38页\共有51页\编于星期五\21点应答器向阅读器的信息传送时采用负载调制技术

互感耦合回路的等效阻抗关系

3．数据传输39当前第39页\共有51页\编于星期五\21点电阻负载调制

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。

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。40当前第40页\共有51页\编于星期五\21点电阻负载调制数据信息传递的原理（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。41当前第41页\共有51页\编于星期五\21点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。电容负载调制的波形变化和电阻负载调制波形变化相似，但此时读写器线圈的电压不仅发生振幅的变化，也发生相位的变化。42当前第42页\共有51页\编于星期五\21点4、功率放大功率放大电路功率放大电路位于RFID系统的阅读器中，用于向应答器提供能量采用谐振功率放大器分为A类（或称甲类）、B类（或称乙类）、C类（或称丙类）三类工作状况在电感耦合RFID系统的阅读器中，常采用B，D和E类放大器

当前第43页\共有51页\编于星期五\21点补充知识：三极管的工作状态当前第44页\共有51页\编于星期五\21点用于125kHz阅读器的B类放大器L3，C4和C5组成滤波网络，该带通滤波器的中心频率125kHz方波经三个非门输出以提高源的带负载能力VT1组成射级跟随器，其输出的正弦信号的正半周使VT2导通，负半周使VT3导通。45当前第45页\共有51页\编于星期五\21点二、反向散射耦合RFID系统1．反向散射雷达技术为RFID的反向散射耦合方式提供了理论和应用基础。当电磁波遇到空间目标时，其能量的一部分被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向。在散射的能量中，一小部分反射回发射天线，并被天线接收（因此发射天线也是接收天线），对接收信号进行放大和处理，即可获得目标的有关信息。当前第46页\共有51页\编于星期五\21点2．RFID反向散射耦合方式一个目标反射电磁波的频率有反射横截面来确定。反射横截面的大小与一系列的参数有关，如目标的大小、形状和材料，电磁波的波长和极化方向等。由于目标的反射性能通常随频率的升高而增强，所以RFID反向散射耦合方式采用超高频和微波，应答器和读写器的距离大于1m。阅读器天线电子标签芯片天线当前第47页\共有51页\编于星期五\21点RFID反向散射耦合方式原理图读写器、应答器和天线构成一个收发通信系统。当前第48页\共有51页\编于星期五\21点（1）应答器的能量供给无源应答器的能量由读写器提供，读写器天线发射的功率P1