射频识别技术基本电磁原理

1、射频识别技术基本电磁原理 第二章第二章 电感耦合方式的射频电感耦合方式的射频 前端前端 射频识别技术基本电磁原理2 射频识别技术在工作频率13.56 MHz和小于 135 kHz时，基于电感耦合方式（能量及信息 传递以电感耦合方式实现），在更高频段基于 雷达探测目标的反向散射耦合方式（雷达发射 电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达 接收机）。 电感耦合方式的基础是电感电容（LC）谐振回 路及电感线圈产生的交变磁场，它是射频卡工 作的基本原理。基于雷达探测目标的反向散射 耦合方式的基础是电磁波传播和反射的形成， 它用于微波电子标签。 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

2、前端。 射频识别技术基本电磁原理3 2.1 阅读器天线电路阅读器天线电路 2.1.1 阅读器天线电路 的选择 在阅读器中，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。 射频识别技术基本电磁原理4 2.1.2 串联谐振回路串联谐振回路 1. 电路组成电路组成 R1是电感线圈L损耗的等 效电阻 RS是信号源 s V 的内阻，RL是负载电阻， 回路总电阻值R=R1+RS +RL。 射频识别技术基本电磁原理5 2.谐振及谐振条件谐振及谐振条件 1j j sss VVV I ZRX RL C 回路电流 I 2 222 1 ZRXRL

3、C 阻抗 相角 1 arctanarctan L X C RR 2.1.2 串联谐振回路串联谐振回路 射频识别技术基本电磁原理6 1 0XL C 串联回路的谐振条件 0 1 LC 0 1 2 f LC 0 0 1L L CC 2.1.2 串联谐振回路串联谐振回路 射频识别技术基本电磁原理7 3、谐振特性、谐振特性 串联谐振回路具有如下特 （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， 即，且与同相 （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(Q为回路的品质因 素） 2.1.2 串联谐振回路串联谐振回路 SS S L VjQV R L

4、 jLj R V Lj IV 0 000 SS S C VjQV CR j CR V j Cj IV 000 0 111 射频识别技术基本电磁原理8 3、谐振特性、谐振特性 回路的品质因数 0 0 111LL Q RCRRCR 通常，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， 2.1.2 串联谐振回路串联谐振回路 射频识别技术基本电磁原理9 4、谐振曲线、谐振曲线 回路中电流幅值与外加频率之间的关系曲线，成 为谐振曲线。任意频率下的回路电流与谐振时的回路 电流之比为： 000 0 00 11 1 j()1j

5、()1j () IR L I RLQ CR 取其模值 m 222 0m 2 0 00 111 1 2 11 I I QQ 2.1.2 串联谐振回路串联谐振回路 式中， 表示偏离谐振的 程度，称为失谐量 0 射频识别技术基本电磁原理10 谐振曲线 串联谐振回路的谐振曲线 由图可见，回路Q值越高，谐振曲线越尖锐， 回路的选择性越好 2.1.2 串联谐振回路串联谐振回路 射频识别技术基本电磁原理11 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间的间 隔表示，半功率的电流比Im/I0 m为 通频带 20 0.70021 22 BW 2222 f QQ 由此可见，由此可见，Q Q值越高，通

6、频带越窄（选择性越强），在值越高，通频带越窄（选择性越强），在RFIDRFID技术中，技术中， 为保证通信带宽，在电路设计时应综合考虑为保证通信带宽，在电路设计时应综合考虑Q Q值的大小。值的大小。 2.1.2 串联谐振回路串联谐振回路 射频识别技术基本电磁原理12 1、磁场强度H和磁感应强度B 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 。 a i 2 H 2.1.3 电感线圈的交变磁场电感线圈的交变磁场 式中，i为电流(A)，a为半径（m) 磁感应强度B和磁场强度H的关系式为 HB r 0 式中， 是真空磁导率， ； 是相对磁 导率，用来说明材料的磁导率是 的多少倍。

7、 0 mHx/104 17 0 r 0 射频识别技术基本电磁原理13 2、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 。 2 0 11 Z0Z3 2 22 2 i N a ar BH 为电流，N1为线圈匝数，a为线圈半径，r为离线圈中心 的距离， 为真空磁导率。 1 i 0 2.1.3 电感线圈的交变磁场电感线圈的交变磁场 射频识别技术基本电磁原理14 电感线圈的交变磁场 磁感应强度B和距离r的关系 11 Z0 2 i N a B ra时 2 11 Z00Z 3 2 i N a r BH 2.1.3 电感线圈的交变磁场电感线圈的交变磁

8、场 射频识别技术基本电磁原理15 2.2.1 应答器天线电路的连接 Microchip 公司的13.56 MHz应答器（无源 射频卡）MCRF355和MCRF360芯片的天 线电路 2.2 应答器天线电路应答器天线电路 射频识别技术基本电磁原理16 e5550芯片的天线电路 工作频率为125 kHz，电感线圈和电容器为 外接。 2.2 应答器天线电路应答器天线电路 射频识别技术基本电磁原理17 并联谐振回路 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，应采用并联谐振回路。 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。 2.2 应答器天线电路应

9、答器天线电路 射频识别技术基本电磁原理18 串并联阻抗等效互换 22 222222 11 2222 222222 (j) ()jj j x RXR XR X ZRRX RXRXRX 2 222 12 22 22 22 1/ x R XR RR RX RX 2 222 12 22 22 22 1/ R XX X RX XR 2.2 应答器天线电路应答器天线电路 射频识别技术基本电磁原理19 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

10、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。 阅读器和应答器之间的电感耦合 射频识别技术基本电磁原理 1、应答器线圈感应电压的计算 S ra ai t NS t N t Nvd 2 d d d d d d d 23 22 2 10 2222 B 22 dd dd vN tt 2 N SB d 阅读器和应答器之间的电感耦合 从上式可以看出，应答器线圈上感应电压和距离的三次方成 反比，因此，应答器要从阅读器获得正常工作的能量，它必 须要靠近阅读器，此距离也称为工作距离或者读/写距离（通 常情况下，读距离大于写距离）。 射频识别技术基

11、本电磁原理21 2、应答器谐振回路端电压的计算 应答器天线电路的等效电路 （利用串并转 换） 阅读器和应答器之间的电感耦合 射频识别技术基本电磁原理22 2、应答器谐振回路端电压的计算 2 012 23 2 22 d d 2 i N N a Si vQ t ar 2 01 2212z3/2 22 cos2 2 m N a vQ N SItfN SQ ar B 2 01 z13/2 22 cos 2 m N a It ar B 阅读器和应答器之间的电感耦合 Qvv 22 ， （谐振状态下） z B是距离阅读器电感线圈为r处的磁感应强度值。 )sin( 11 tIi m 由于 射频识别技术基本电磁

12、原理23 3、应答器直流电源电压的产生 应答器直流电源电压的产生 阅读器和应答器之间的电感耦合 射频识别技术基本电磁原理24 阅读器和应答器之间的电感耦合 整流与滤波 采用MOS管的全波整流电路 的值选择过大，对滤波和储能效果好，但集成电 路制作代价大，因此，综合考虑，其容量通常为 百pF数量级。 p C 射频识别技术基本电磁原理25 阅读器和应答器之间的电感耦合 4、负载调制 应答器向阅读器的信息传送时采用，以下介 绍基于电感耦合方式的负载调制原理 射频识别技术基本电磁原理26 阅读器和应答器之间的电感耦合 2、互感耦合回路的等效阻抗关系 121 11 jZ IM IV 12 22 j0M

13、IZI 1 12 11 22 V I M Z Z 11 22 22 11 j MV Z I M Z Z 上图b中初级和次级回路的电压 方程式为： 从上式可以看出，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 射频识别技术基本电磁原理27 阅读器和应答器之间的电感耦合 3、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。 射频识别技术基本电磁原理28 阅读器和应答器之间的电感耦合 3、电阻负载调制 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

14、制数据编码信号为“0”时，开关S断 开，应答器负载电阻为RL。 应答器的负载电阻值有两个对应值，即RL （S断开时）和RL与Rmod的并联值 RL/Rmod（S闭合时）。 射频识别技术基本电磁原理29 阅读器和应答器之间的电感耦合 3、电阻负载调制 次级回路等效电路中的端电压 2 CD 2f222 Lm 1 1jj V V RRLC R 上式可以理解为，次级回路由于 的接入，负载加重，Q值降 低，谐振回路两端电压下降。 mod R 次级回路在负载调制时，自阻抗下降，因此其对初级线圈的反次级回路在负载调制时，自阻抗下降，因此其对初级线圈的反 射阻抗上升，表现为反射电阻增加，由于反射电阻不是一个电

15、阻实射阻抗上升，表现为反射电阻增加，由于反射电阻不是一个电阻实 体，它的变化体现为初级电感线圈体，它的变化体现为初级电感线圈L1L1两端的电压变化。所以初级线两端的电压变化。所以初级线 圈两端的电压变化表现为幅度调制。圈两端的电压变化表现为幅度调制。 射频识别技术基本电磁原理30 阅读器和应答器之间的电感耦合 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。 射频识别技术基本电磁原理31 阅读器和应答器之间的电感耦合 4、电容负载调

16、制 电容负载调制是用附加的电容器Cmod代替调制电阻Rmod 射频识别技术基本电磁原理32 阅读器和应答器之间的电感耦合 4、电容负载调制 电容负载调制时初、次级回路的等效电路 射频识别技术基本电磁原理33 2.4 功率放大电路功率放大电路 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 射频识别技术基本电磁原理34 2.4 功率放大电路功率放大电路 B类功率放大器 采用两个特性相同的功率管接成推挽电路， 它使一

17、管在正半周导通，另一管在负半周导 通，而后在负载上将它们的集电极电流波形 合成，就可获得完整的正弦波。 射频识别技术基本电磁原理35 用于125 kH z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 0 312 45 3 45 11 125 kHz 1800 6800 2 1 10102 18006800 f C C L CC 射频识别技术基本电磁原理36 功率传输 等效电路 从阻抗匹配的条件下负载 可获得最大功率考虑，则 应满足 2 f12s1 22 M RRRR R 2.4 功率放大电路功率放大电路 射频识别技术基本电磁原理37 D类功率放大器 D类谐振式功率

18、放大器有电压开关型、电流 开关型等电路形式 2.4 功率放大电路功率放大电路 射频识别技术基本电磁原理38 2.4 功率放大电路功率放大电路 射频识别技术基本电磁原理39 功率放大器效率 电流基波幅值 CCCESCES om L ()2 VVV I R 负载电阻RL上的输出功率 2 CCCES2 0omL 2 L 212 2 VV PIR R 2.4 功率放大电路功率放大电路 射频识别技术基本电磁原理40 在L1C1谐振回路的设计上应注意下述问 题 L1C1谐振回路应准确调谐于激励信号的基波 频率上 为保护功率放大管，可在其集电极C和发射 极E间并接一个保护二极管 谐振回路中的负载RL在电感耦

19、合方式的 RFID系统中很容易理解为应答器反射电阻 Rf1和电感线圈损耗电阻R1之和 2.4 功率放大电路功率放大电路 射频识别技术基本电磁原理41 电流开关型D类功率放大器 2.4 功率放大电路功率放大电路 射频识别技术基本电磁原理 射频识别技术基本电磁原理43 电压开关型Vs电流开关型 在电压开关型电路中，两管是与电源电压VCC串联 的。电流开关型电路中，两管与电源电压VCC并联 电压开关型电路中，两管集电极电流是正弦半波， 集电极与发射极间电压为方波，负载流过的电流是 正弦波。电流开关型电路中，两管集电极电流是方 波，集电极和发射极间电压是正弦半波，负载两端 电压是正弦波。 在电流开关型

20、电路中，电流是方波，电压开关型电 路中，两管集电极电流是正弦半波 2.4 功率放大电路功率放大电路 射频识别技术基本电磁原理44 传输线变压器耦合功率放大器 具有两种方式：一种按传输线方式来工作， 另一种是按照变压器方式工作。 2.4 功率放大电路功率放大电路 射频识别技术基本电磁原理45 （a）倒相 RL RS v 1 3 2 4 （b） 平衡 不平衡转换 RS RS v1 v2 1 3 2 4 RL RS v 1 3 2 4 RL/2 RL/2 （c）不平衡 平衡转换 1:1传输线变压器应用 2.4 功率放大电路功率放大电路 射频识别技术基本电磁原理46 1:4传输线变压器 信号端呈现的输入阻抗 L 1 21 244 i vv RR ii 传输线的特性阻抗 CL 1 21 22 vv ZR ii 2.4 功率放大电路功率放大电路 射频识别技术基本电磁原理47 v1和v2为晶体管VT1和VT2的集电极电压，很显然在输入开关信 号激励下，两管集电极电压为方波，且电压反相。两管集电极 电流为正弦半波，各电流的方向如箭头所指。 2.4 功率放大电路功率放大电路 射频识别技术基本电磁原理48 E类功率放大器 单管工作于开关状态，谐波成分主要为二次 谐波。它选取适当的负载网络参数，以使它 的瞬态响应最佳。 当开关导通（或