第2章电感耦合方式的射频前端

1、重庆科技学院 电气与信息工程学院RFID技术与应用技术与应用利节利节2第二章 电感耦合方式的射频前端 射频识别的基本原理射频识别的基本原理 1. RFID的工作频率的工作频率 2. 串联谐振回路串联谐振回路 3. 并联谐振回路并联谐振回路 4. 应答器直流电源电压应答器直流电源电压 反向散射耦合反向散射耦合3第二章 电感耦合方式的射频前端 射频识别的基本原理射频识别的基本原理 1. RFID的工作频率的工作频率 2. 串联谐振回路串联谐振回路 3. 并联谐振回路并联谐振回路 4. 应答器直流电源电压应答器直流电源电压 反向散射耦合反向散射耦合4RFID的基本原理框图的基本原理框图 实现射频能量

2、和信息传递的电路称为射频前端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。电路，简称为射频前端。5RFIDRFID的工作频率的工作频率01k1M1Gf(Hz)30k 300k3M 30M 300M3G30G125k13.56M常用：常用：433M866960M5.8GLFHFUHFSHF 低频低频 高频高频 特高频特高频 超高频超高频工作频率分布图工作频率分布图 30-300kHz 3-30MHz 300-3GHz 3-30GHz 6RFIDRFID的工作频率的工作频率01k1M1Gf(Hz)30k 300k3M 30M 300M3G30G125k13.56M常用：常用：433

3、M866960M5.8GLFHFUHFSHF 低频低频 高频高频 特高频特高频 超高频超高频工作频率分布图工作频率分布图 30-300kHz 3-30MHz 300-3GHz 3-30GHz 微波频率微波频率 701k1M1Gf(Hz)30k 300k3M 30M 300M3G30G125k13.56M常用：常用：433M866960M5.8GLFHFUHFSHF低频和高频低频和高频RFIDRFID采用电感耦合方式进行工作。在采用电感耦合方式进行工作。在这种工作方式中，线圈形式的天线相当于电感，电感线这种工作方式中，线圈形式的天线相当于电感，电感线圈产生交变磁场，使读写器与电子标签之间相互耦合

4、，圈产生交变磁场，使读写器与电子标签之间相互耦合，构成了电感耦合的工作方式。同时，线圈产生的电感与构成了电感耦合的工作方式。同时，线圈产生的电感与射频电路中的电容组合在一起，形成谐振电路，谐振电射频电路中的电容组合在一起，形成谐振电路，谐振电路可以实现低频和高频路可以实现低频和高频RFIDRFID能量和数据的传输。能量和数据的传输。 801k1M1Gf(Hz)30k 300k3M 30M 300M3G30G125k13.56M常用：常用：433M866960M5.8GLFHFUHFSHF 微波电子标签采用反向散射耦合方式，理论基微波电子标签采用反向散射耦合方式，理论基础是电磁波传播和反射的形成

5、，与电感耦合方式差础是电磁波传播和反射的形成，与电感耦合方式差异在于所使用的无线电射频的频率不同和作用距离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。的远近。 9第二章 电感耦合方式的射频前端 射频识别的基本原理射频识别的基本原理 1. RFID的工作频率的工作频率 2. 串联谐振回路串联谐振回路 3. 并联谐振回路并联谐振回路 4. 应答器直流电源电压应答器直流电源电压 反向散射耦合反向散射耦合10电感耦合方式的电路结构电感耦合方式的电路结构 电感耦合方式的应电感耦合方式的应答器几乎都是无源的，答器几乎都是无源的，能量从阅读器获得。能量从阅读器获得。 由于阅读器产生的磁场强度收由于阅

6、读器产生的磁场强度收到电磁兼容性等有关标准的严格限到电磁兼容性等有关标准的严格限制，因此系统的工作距离较近。制，因此系统的工作距离较近。 电感耦合方式的射频载波频率电感耦合方式的射频载波频率f fc c为为13.56Mhz13.56Mhz和小于和小于135khz135khz的频的频段。应答器与阅读器之间的工作距离在段。应答器与阅读器之间的工作距离在1m1m以下。以下。11电感耦合方式的电路结构电感耦合方式的电路结构谐振电路谐振电路 谐振电路谐振电路 12电感耦合方式的电路结构电感耦合方式的电路结构射频源射频源 射频源射频源内阻内阻 L1的损耗电阻的损耗电阻 13电感耦合方式的电路结构电感耦合方

7、式的电路结构 谐振时高频电流谐振时高频电流i i最大最大 ，高频电流，高频电流i i产生的磁场产生的磁场穿过线圈，并有部分磁力线穿过距阅读器电感线圈穿过线圈，并有部分磁力线穿过距阅读器电感线圈L L1 1一定距离的应答器电感线圈一定距离的应答器电感线圈L L2 2. . 穿过电感线圈穿过电感线圈L2的磁力线通过感应，在的磁力线通过感应，在L2上产生电压上产生电压v2，将其，将其整流后，即可产生应答器工作所需的直流电压。电容器整流后，即可产生应答器工作所需的直流电压。电容器C2的选择的选择应使应使L2C2构成工作频率谐振的回路，以使电压构成工作频率谐振的回路，以使电压v2达到最大值。达到最大值。

8、14传输方式（阅读器传输方式（阅读器-应答器）应答器）l 电感耦合的时序方式电感耦合的时序方式 l 扫频法扫频法l 分频信号检测法分频信号检测法15传输方式（阅读器传输方式（阅读器-应答器）应答器） 电感耦合的时序方式（电感耦合的时序方式（P P5 5 图图1.41.4） 阅读器向应答器的能量传输和数据传输占用一个阅读器向应答器的能量传输和数据传输占用一个连续的时隙，在此时，应答器获取能量而不传送数据。连续的时隙，在此时，应答器获取能量而不传送数据。在两次能量供应的间隙事件，应答器完成向阅读器的在两次能量供应的间隙事件，应答器完成向阅读器的数据传输。数据传输。仅适合在仅适合在135kHz135

9、kHz以下频率范围内工作。应以下频率范围内工作。应答器需要一个容量较大的电容。答器需要一个容量较大的电容。 扫频法扫频法 分频信号检测法分频信号检测法16传输方式（阅读器传输方式（阅读器-应答器）应答器） 电感耦合的时序方式（电感耦合的时序方式（P P5 5 图图1.41.4） 在时序系统中，从应答器到阅读器的信息传输是在时序系统中，从应答器到阅读器的信息传输是在应答器能量供应间歇进行的，阅读器与应答器不同在应答器能量供应间歇进行的，阅读器与应答器不同时发射，这种方式可以改善信号受干扰的状况，提高时发射，这种方式可以改善信号受干扰的状况，提高系统的工作距离。系统的工作距离。 扫频法扫频法 分频

10、信号检测法分频信号检测法17传输方式（阅读器传输方式（阅读器-应答器）应答器） 电感耦合的时序方式（电感耦合的时序方式（P P5 5 图图1.41.4） 在充电过程中，应答器应能存储起在向阅读器传在充电过程中，应答器应能存储起在向阅读器传输数据时间内需要消耗的能量。应答器可用的能量由输数据时间内需要消耗的能量。应答器可用的能量由充电电容器的电容量和充电时间决定。应答器中需要充电电容器的电容量和充电时间决定。应答器中需要有一个容量较大的电容，带来不便。有一个容量较大的电容，带来不便。 扫频法扫频法 分频信号检测法分频信号检测法18传输方式（阅读器传输方式（阅读器-应答器）应答器） 电感耦合的时序

11、方式电感耦合的时序方式 扫频法扫频法 所谓扫频就是利用某种方法，使正弦信号的频率所谓扫频就是利用某种方法，使正弦信号的频率随时间按一定规律，在一定范围内反复扫动。随时间按一定规律，在一定范围内反复扫动。 分频信号检测法分频信号检测法19传输方式（阅读器传输方式（阅读器-应答器）应答器） 电感耦合的时序方式电感耦合的时序方式 扫频法扫频法 所谓扫频就是利用某种方法，使正弦信号的频率所谓扫频就是利用某种方法，使正弦信号的频率随时间按一定规律，在一定范围内反复扫动。随时间按一定规律，在一定范围内反复扫动。 分频信号检测法分频信号检测法 当应答器接近阅读器，阅读器扫频当应答器接近阅读器，阅读器扫频信号

12、的频率和应答器谐振回路的频率相信号的频率和应答器谐振回路的频率相等时，阅读器的电流产生一个明显的增等时，阅读器的电流产生一个明显的增量。可用于商场的电子防盗。量。可用于商场的电子防盗。20传输方式（阅读器传输方式（阅读器-应答器）应答器） 电感耦合的时序方式电感耦合的时序方式 扫频法扫频法 分频信号检测法分频信号检测法 与电感耦合方式相同，应答器是无源的，载波信号与电感耦合方式相同，应答器是无源的，载波信号经二分频送至调制器，在调制器中被应答器数据调制，经二分频送至调制器，在调制器中被应答器数据调制，被调制的二分频载波信号经应答器电感线圈送至阅读被调制的二分频载波信号经应答器电感线圈送至阅读器

13、，阅读器对二分频载波信号进行处理。器，阅读器对二分频载波信号进行处理。21第二章 电感耦合方式的射频前端 射频识别的基本原理射频识别的基本原理 1. RFID的工作频率的工作频率 2. 串联谐振回路串联谐振回路 3. 并联谐振回路并联谐振回路 4. 应答器直流电源电压应答器直流电源电压 反向散射耦合反向散射耦合22阅读器天线电路阅读器天线电路 在阅读器中，串联在阅读器中，串联谐振回路具有电路简单、谐振回路具有电路简单、成本低，激励可采用低成本低，激励可采用低内阻的恒压源，谐振时内阻的恒压源，谐振时可获得最大的回路电流可获得最大的回路电流等特点，被广泛采用。等特点，被广泛采用。 23串联谐振回路

14、串联谐振回路 由电感线圈由电感线圈L L和电和电容器容器C C组成的单个谐振组成的单个谐振电路，称为单谐振回电路，称为单谐振回路。路。R R1 1是电感线圈是电感线圈L L损损耗的等效电阻，耗的等效电阻，R RS S是是信号源的内阻，信号源的内阻，R RL L是是负载电阻，回路总电负载电阻，回路总电阻值阻值R=RR=R1 1+R+RS S+R+RL L。 24串联谐振回路串联谐振回路1jjsssVVVIZRXRLC回路电流回路电流I 22221ZRXRLC阻抗：阻抗： 相角：相角： 1arctanarctanLXCRR25串联谐振回路串联谐振回路10XLC串联回路的谐振条件：串联回路的谐振条件

15、： 01LC012fLC001LLCC26 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=0X=0，阻抗，阻抗Z=RZ=R为最小值，且为最小值，且为纯阻为纯阻（2 2）谐振时，回路电流最大，且同相）谐振时，回路电流最大，且同相（3 3）电感与电容两端电压的模值相等，且等于外加）电感与电容两端电压的模值相等，且等于外加电压的电压的Q Q倍倍27串联谐振回路串联谐振回路回路的品质因数：回路的品质因数： 00111LLQRCRRCR 通常，回路的通常，回路的Q Q值可达数十到近百，谐振时电感值可达数十到近百，谐振时电感线圈和电容器两端电压可比信号

16、源电压大数十到百倍，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。在选择电路器件时，必须考虑器件的耐压问题。28第二章 电感耦合方式的射频前端 射频识别的基本原理射频识别的基本原理 1. RFID的工作频率的工作频率 2. 串联谐振回路串联谐振回路 3. 并联谐振回路并联谐振回路 4. 应答器直流电源电压应答器直流电源电压 反向散射耦合反向散射耦合29并联谐振回路并联谐振回路 串联谐振回路适用于恒压源，即信号源内阻很小串联谐振回路适用于恒压源，即信号源内阻很小的情况。的情况。 如果信号源的内阻大，应采用并联谐振回路。如果信号源的内阻大，应采用并联谐振

17、回路。 在研究并联谐振回路时，采用恒流源（信号源内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。阻很大）分析比较方便。 30 串并联阻抗等效互换串并联阻抗等效互换 22222222112222222222(j)()jjjxRXR XR XZRRXRXRXRX2222122222221/xR XRRRRXRX2222122222221/R XXXRXXR31第二章 电感耦合方式的射频前端 射频识别的基本原理射频识别的基本原理 1. RFID的工作频率的工作频率 2. 串联谐振回路串联谐振回路 3. 并联谐振回路并联谐振回路 4. 应答器直流电源电压应答器直流电源电压 反向散射耦

18、合反向散射耦合32 应答器的天线电路应答器的天线电路 Microchip 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 33 应答器的天线电路应答器的天线电路 当当Ant.BAnt.B端通过控制开关与端通过控制开关与V VSSSS端短接时，谐振电路域端短接时，谐振电路域工作频率失谐，此时应答器芯片虽已处于阅读器的工作频率失谐，此时应答器芯片虽已处于阅读器的射频能量场之内，但处于休眠状态。射频能量场之内，但处于休眠状态。 当当Ant.BAnt.B

19、端开路时，谐振回路在谐振频率上，应答器端开路时，谐振回路在谐振频率上，应答器可获得能量，进入工作状态。可获得能量，进入工作状态。34 e5550e5550芯片的天线电路芯片的天线电路 工作频率为工作频率为125 kHz125 kHz，电感线圈和电容器为外接。，电感线圈和电容器为外接。 RFIDRFID无源应答器的天线电路常采用并联谐振（电流谐无源应答器的天线电路常采用并联谐振（电流谐振）电路，在谐振时，电感和电容支路中电流最大，即谐振）电路，在谐振时，电感和电容支路中电流最大，即谐振电路两端可获得最大电压，使应答器从阅读器耦合的能振电路两端可获得最大电压，使应答器从阅读器耦合的能量最大。量最大

20、。做测试时快速编程和校验，做测试时快速编程和校验，在射频工作时不用。在射频工作时不用。 35 应答器直流电源电压的产生应答器直流电源电压的产生 应答器通过与阅读器电感耦合，产生交变电压，该应答器通过与阅读器电感耦合，产生交变电压，该交变电压通过整流、滤波和稳压后，给应答器的芯片交变电压通过整流、滤波和稳压后，给应答器的芯片提供所需的直流电压。提供所需的直流电压。36 应答器直流电源电压的产生应答器直流电源电压的产生 天线电路获得的耦合电压经整流电路后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。变换为单极性的交流信号。37 整流与滤波整流与滤波 采用采用MOSMOS管的全波整流电路

21、管的全波整流电路 38 整流与滤波整流与滤波 采用采用MOSMOS管的全波整流电路管的全波整流电路 滤波电容集成在芯片内滤波电容集成在芯片内39 整流与滤波整流与滤波 C Cp p容量选的较大，则电路储能及电压平滑作用较容量选的较大，则电路储能及电压平滑作用较好，但集成电路制作代价大，所以好，但集成电路制作代价大，所以C Cp p容量不能选的过容量不能选的过大，通常为百大，通常为百pFpF数量级。数量级。40 应答器直流电源电压的产生应答器直流电源电压的产生 经滤波电容经滤波电容C CP P滤去高频成分，获得直流电压。滤去高频成分，获得直流电压。C CP P同时又作为储能器件，以获得较强的负载

22、能力。同时又作为储能器件，以获得较强的负载能力。41 应答器直流电源电压的产生应答器直流电源电压的产生 滤波电容滤波电容C CP P两端输出的直流电压是不稳定的。当应答器与阅两端输出的直流电压是不稳定的。当应答器与阅读器的距离变化时，它随应答器线圈读器的距离变化时，它随应答器线圈L L2 2上耦合电压而变，而应答上耦合电压而变，而应答器内部需要较高稳定性的直流电源电压。器内部需要较高稳定性的直流电源电压。42第二章 电感耦合方式的射频前端 射频识别的基本原理射频识别的基本原理 1. RFID的工作频率的工作频率 2. 串联谐振回路串联谐振回路 3. 并联谐振回路并联谐振回路 4. 应答器直流电

23、源电压应答器直流电源电压 反向散射耦合反向散射耦合43反向散射耦合 当电磁波遇到空间物体时，其能量的一部分被物体吸收，另当电磁波遇到空间物体时，其能量的一部分被物体吸收，另一部分以不同的强度被散射到各个方向。在散射的能量中，一小一部分以不同的强度被散射到各个方向。在散射的能量中，一小部分反射回了发射天线，并被该天线接收，对接收信号进行放大部分反射回了发射天线，并被该天线接收，对接收信号进行放大和处理，即可获取目标的有关信息。和处理，即可获取目标的有关信息。44反向散射耦合 一个目标反射电磁波的效率由反射横截面来衡量。由于目一个目标反射电磁波的效率由反射横截面来衡量。由于目标的反射性能通常随频率

24、的升高而增强，所以标的反射性能通常随频率的升高而增强，所以RFIDRFID反向散射耦反向散射耦合方式采用特高频（合方式采用特高频（HFHF）和超高频（）和超高频（SHFSHF），应答器和阅读器），应答器和阅读器的距离大于的距离大于1m1m。45反向散射耦合 无源应答器的能量由阅读器提供，阅读器天线发射的功率无源应答器的能量由阅读器提供，阅读器天线发射的功率P P1 1经自由空间衰减后到达应答器，设到达功率为经自由空间衰减后到达应答器，设到达功率为P P1 1 .P.P1 1 中被吸收中被吸收的功率经应答器中的整流电路后形成应答器的工作电压。的功率经应答器中的整流电路后形成应答器的工作电压。能量供给能量供给46反向散射耦合 应答器天线的反射性能受连接到天线的负载变化的影响，应答器天线的反射性能受连接到天线的负载变化的影响，因此，可采用相同的负载调制方法实现反射的调制。其表现为因此，可采用相同的负载调制方法实现反射的调制。其表现为反射功率反射功率P P2 2是振幅调制信号，它包含了存储在应答器中的识别数是振幅调制信号，它包含了存储在应答器中的识别数据信息。据信息。