第2章电感耦合方式的射频前端

1、12 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 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，简称为射频前端。 22 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端2.1阅读器天线电

2、路2.1.1 阅读器天线电路的选择 （a）串联谐振回路 （b）并联谐振回路 L C L C C1 C2 初级 线圈 次级线圈 （c）具有初级和次级线圈的耦合电路 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。 32 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端2.1.2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sV的内阻，RL是负载电阻，回路总电阻值R=R1+RS+RL。 图2.2 串联谐振回路42 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 2、谐振及谐振条件1jjsssVVVIZRX

3、RLC回路电流I 22221ZRXRLC阻抗 相角 1arctanarctanLXCRR52 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端10XLC从路的谐振条件 01LC012fLC001LLCC是谐振回路的特性阻抗62 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 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，且电流和信号源同相。（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。0LsVjQV0CsVjQV 72 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端回路的品质因数 00111LLQR

4、CRRCR 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。82 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端4、能量关系 设谐振时瞬时电流i为：电感L上存储的能量为：电容C上存储的能量为：则电感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，这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。 0sin()miIwt222011sin ()22LmwLiLIwt222011cos ()22CcmwCvLIwt2012CLmwwwLI92 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端当谐

5、振时，电阻R上消耗的平均功率为：在每一个周期T内，电阻R上消耗的能量为：则： 2012mPRI200112RmwPTRIf20200121122mCLRmLIwwQwRIf102 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端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。任意频率下的回路电流与谐振时的回路电流之比为：000000111j()1j()1j ()IRLIRLQCR取其模值 m2220m20001111211IIQQ112 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 根据上式画出谐振曲线图2.3 串联谐振回路的谐振曲线 由图可见

6、Q值越高，谐振曲线越尖锐，回路的选择性越好。122 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 （2）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/I0m为0.707 。Q值越高，通频带越窄，（选择性越好）。通频带 200.7002122BW2222fQQ132 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 2.1.3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，电流流过一个导体时，在此导体的周围会产生一个磁场 。(/)2iA maH图2.5 载流导体周围的磁场0rBu u H是真空磁导率， 是相对磁导率142 2 电感耦合

7、方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 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 。离线圈中心距离为r 处P点的磁感应强度 大小为：20 11Z0Z3 2222i N aarBH152 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 （1）磁感应强度B B和距离r的关系 （a ） （b） i1 P v1=V1msin(t) BZ 线圈 a r X Y Z O 11Z02i NaBr a时 211Z00Z32i N arBH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60dB/10倍距离。162 2 电感耦合

8、方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 上述结论适用于近场，近场是指从线圈中心处距离小于 的范围：频率小于135kHz的 大于353米；频率小于13.56MHz的 大于3.5米；2rrrr172 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端(2)最佳线圈半径a 当线圈半径a一定时，在r=0.707a处可获得最大场强。2ar182 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 2.2应答器的天线电路 2.2.1应答器天线电路的连接 （1）MCRF355和MCRF360的天线电路 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 1

9、92 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 （2）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。 202 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端2.2.2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。 212 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端在实际应用中，通常都满足wLR1，因此并联回路两端间的阻抗为：由上式可得到另一形式的并联谐振回路：式中， 为电导， 为电纳。 1111()11

10、1()()RjwLjwCZCRRjwLj wCjwCLwL1bwCwL11pCRgLR111()CRYgjbj wCZLwL222 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 2.2.3串并联阻抗等效互换 22222222112222222222(j)()jjjxRXR XR XZRRXRXRXRX2222122222221/xR XRRRRXRX2222122222221/R XXXRXXR232 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端2.3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

11、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。 2 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 2.3.1应答器线圈感应电压的计算 当 时，则 （2.57）20 122223 222ddddcosdddd2i avNNSNaStttar B22ddddvNtt 2NSB dcos1a 201211222 3/22()u N N a SdidivMardtdt 252 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 2.3.2应答器谐振回路端电压的计算 应答器天线电路的

12、等效电路 应答器谐振回路的端电压 应答器的等效电路262 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 V2是电感线圈L2中的感应电压，R2是L2的损耗电阻，C2是谐振电容，Rl是负载， 是应答器谐振回路两端的电压。当 达到一定电压值，就可产生应答器芯片正常工作所需的直流电压。 经过串、并联阻抗等效互换后，得到相应的等效电路。 当电路谐振时， （2.59） （2.57） 2v2v22vv Q 201211222 3/22()u N N a SdidivMardtdt 272 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 将2.57代入2.59，得到以下式子。 （2.60） （2.61）

13、 （2.62） 201223 222dd2iN N a SivQtar 2012212z3/222cos22mN avQ N SItfN SQar B201z13/222cos2mN aItarB282 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端例2.1 MCRF355芯片工作于13.56MHz,其天线电路封装在ID-1型卡中，卡尺寸为85.6mm*54m*0.76mm,当MCRF355芯片天线电路上具有4V（峰值）电压时，器件可达到正常工作所需的2.4V直流电压。设其天线电路的Q值为40，线圈匝数N2=4，试求阅读器电感线圈的电流值。解： 根据式（2.61）计算 值 再按2.62计算阅

14、读器线圈的电流 22 3/21 1202()zarN iBu a2z22vfN SQB292 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 2.3.3应答器直流电源电压的产生 图2.17 应答器直流电源电压的产生 302 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 2.3.3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。 采用MOS管的全波整流电路 312 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 2.3.4负载调制 应答器向阅读器的信息传送时采用 负载调制。 1、耦合电路模

15、型322 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端Vi是正弦电压，Rs为其内阻，R1是电感L1的损耗电阻，M是互感，R2是电感L2的损耗，RL是等效负载电阻。为分析方便，将其中的并联电路转为串联电路。332 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 2、互感耦合回路的等效阻抗关系 12111jZ IM IV1222j0M IZI1121122VIMZZ11222211j MVZIMZZ 为初级回路自阻抗， 为次级回路自阻抗。342 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 3、电阻负载调制 负载调制有电阻和电容负载调制两种。电阻负载调制原理图如下图所示。 开关S用于控制

16、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。 图2.11 电阻负载调制的原理图 352 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端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。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）。 362 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 图2.11的等效电路图如下图所示： 图2.11 等效电路图372 2 电感耦合方式的射频

17、前端电感耦合方式的射频前端（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， 其中， 为RL和Rmod的并联值。当进行负载调制时， 小于RL，因此 电压下降。在实际电路中，电压的变化反应为电感线圈L2两端可测的电压变化。2CD2f222Lm11jjVVRRLCR382 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端（2）初级回路等效电路中的端电压 设次级回路处于谐振状态， 当 在负载调制时，反应在初级回路的 状态是反射电阻Rf1变化，体现为电感 线圈1两端电压的变化，即等效电路中 端电压 的变化。 负载调制时， 增加， 也增加。ABVABV1fRABV392 2 电感耦合方式的射频前

18、端电感耦合方式的射频前端 （3）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。 402 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 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 412 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 电容负载调制电容负载调制时初、次级回路的等效电路 422 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 电容负载调制时， 的加入使次级电压下降。 电容负载调制时， 的

19、加入使初级电压增加，并且相位也发生变化。 电容负载调制时，数据信息的传输过程基本和电压负载调制相似，只是阅读器两端电压会产生相位调制的影响。modCmodC432 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 2.4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 442 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 2.4.1 B类功率放大器 1、基本工作原理 采用两个特性相同的功率管接成推挽电路，它使一管在

20、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。 因此， B类推挽电路必须具备两管交替工作和输出波形合成的两个功能。452、典型应用电路（1）电路结构与工作原理图2.26为125 kHz阅读器的B类放大器 46125KHz通常采用4M晶振，分频后输出125KHz方波。L3，C4和C5组成滤波网络，该带通滤波器的中心频率 ：125KHz方波经过三个非门输出提高源的带负载能力。03124534511125 kHz1800 68002 1 1010218006800fC CLCC47VT1组成射级跟随器，输出的正弦信号的正半周使VT2导通，负半周使VT3

21、导通，实现两管交替导通和输出波形合成。二极管VD1和VD2的正向压降为两推挽管提供合适的偏置电压，减少非线性失真。48L1C1串联谐振频率为125K， 125K的交变电流通过L1，产生的磁场作用于应答器。谐振时C1两端的电压为源电压的Q倍，所以C1 的耐压为200v.R2和R2为限流电阻，可以调整，从而使L1C1串联谐振回路的电流值合适，并使VT2和VT3的电流值处于安全范围内。492 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 （2）功率传输 图2.27为2.26的等效电路图。图2.27 等效电路 V1是P点的正弦电压，Rs是晶体管VT2和VT3的导通电阻，R2是两晶体管发射极所接电阻

22、。R1是L1的损耗电阻，Rf1是次级反射电阻，Xf1是次级反射电抗。从阻抗匹配的条件下负载可获得最大功率考虑，则应满足 2f12s122MRRRRR502 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 （2）功率传输 图2.27 等效电路 为使功率放大器的输出功率绝大部分能输出到负载上，希望反射电阻Rf1远大于作为能量传输中介回路电感、电容自身的损耗电阻（R1）。512 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端2.4.2 D类功率放大器D类谐振式功率放大器有电压开关型、电流开关型等电路形式 1、准互补电压开关型D类功率放大器（1）电路结构与工作原理522 2 电感耦合方式的射频前端

23、电感耦合方式的射频前端Vs为激励信号，是一个方波。变压器T1实现倒相，使VT1和VT2只有一个导通或截止，从而P点电压也是方波。两管的集电极和发射极之间的电压为方波，所以称为电压开关型。由于L1C1的选频作用，电流i1和i2是半正弦波形，它们流经负载电阻Rl是反向的，因此它们组合构成的电流i0是正弦波。53波形图如图2.29所示。图2.29 电压、电流波形图542 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 （2）功率放大器效率 （a）输出功率P0电流基波幅值 CCCESCESomL()2VVVIR负载电阻RL上的输出功率 2CCCES20omL2L2122VVPIRR552 2 电感耦

24、合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 （b）直流电源供给额的输入功率Pi(c)效率功率放大器的效率 的提高有利于提高效率。 饱和压降越低越好。CCCESom2L212iCCCCVVPVIVR2oCCCESiCCPVVPV562 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端（3） L1C1谐振回路 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 572 2 电感耦合方式的射频

25、前端电感耦合方式的射频前端（4）输入回路 基极电阻Rb用于提高晶体管输入阻抗，保证发射结不被过高的激励电压击穿， Rb值为几至几十欧姆。 它可以调节激励电流的大小，功率放大器输出功率越大， Rb应越小。582 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 2、电流开关型D类功率放大器 （1）电路结构与工作原理 电流开关型D类功率放大器的原理图。592 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 电感L1和电容C1构成并联谐振回路，L4为大电感，也称为扼流圈，防止交流信号干扰Vcc。 电容Cb用于使加到基极的电压变化为正负极性，加速晶体管的工作状态转换过程。 4个二极管为功率管的保护二

26、极管。 激励源为方波信号，当两个晶体管轮流导通，每管的电流波形是方波，所以称为电流开关型。 两晶体管集电极电压为半波正弦波，负载电阻RL上的电压为正弦波。电流开关型的波形图图2.31 波形图612 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 （2）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。 在电流开关型电路中，电流是方波，

27、电压开关型电路中，两管集电极电流是正弦半波622 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 2.4.3传输线变压器耦合功率放大器 1、传输线变压器构成的反向功率合成器电路具有两种方式：一种按传输线方式来工作，另一种是按照变压器方式工作。 632 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端2、传输线变压器的工作原理 传输线方式中，它的两个线圈中通过大小相等、方向相反的电流，磁心中的磁场正好相互抵消。 磁心能使绕在它上面的短线具有较大的感抗，这样在高频时其等效电路如下图所示。而短线构成了传输线，其能量传输依靠线圈间分布电容的耦合作用实现。 普通传输线图 传输线变压器等效电路图 642

28、 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 传输线可以看成由许多电感、电容组成的耦合链，当信号U1加在输入端（1、3）时，由于传输线间电容较大，因此信号源向电容C1充电储能，而C1又通过电感L1放电，使电感储能，电能变磁能，如此循环，直至把电磁能送到终端负载。如果忽略导线的损耗，这样负载可以取得信号源的全部能量。 在变压器方式中，线圈中有激磁电流，并在磁心中产生公共磁场，有磁心功率损耗。此时初、次间的能量传输主要依靠线圈的磁耦合作用。 652 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 传输线变压器的最主要问题是传输线的分布参数的均匀度和传输线的阻抗。一般业余都用双绞线、三绞和漆

29、包线绕制 ，容易产生不均匀性和阻抗的不确定性。 专业的一般使用同轴电缆绕制，主要优点是分布参数均匀，阻抗确定。普通同轴电缆比较硬，所以使用聚四氟乙烯同轴电缆。 662 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 3、1:1传输线变压器 如果传输线是理想的无损耗的，其特征阻抗Zc为纯电阻，且呈现在输入端间的输入阻抗zi和 Zc相等。因此对于无损耗和终端匹配的传输线，不论加入什么频率，向传输线始端供给的功率就不变，它通过传输线全部被负载电阻RL吸收。672 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 3、1:1传输线变压器 （a）倒相 RL RS v 1 3 2 4 （b） 平衡 不平

30、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 682 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 4、1:4传输线变压器 如果通过RL的电流为i,信号源端的电压为v,则在RL上产生的电压为2v,信号源提供的电源为2i.信号端呈现的输入阻抗 L1 21244ivvRRii传输线的特性阻抗 CL1 2122vvZRii692 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 5、反向功率合成器电路分析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

31、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。 702 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 即相应的流过电容器C2的电流ic2为：如果两管电流等值，则ic2=0，因此1端无功率输出。由于T2两绕组上的电压相等，因此v1=v2=vd/2。 12ddiiiii121()2diii121()2iii2122()Ciiii712 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 L1C1为串联谐振回路，谐振于激励信号的基波频率，因而在基波频率下，电抗值为0。T3为1：1平衡-不平衡转换器，因而呈现在DD端的阻抗值为RL，因此两管输出的等值功率在负载RL上相加（ ） 实

32、现了功率合成。 C2和C3是高频旁路电容，所以T3的4端和T2的1端相当于交流接地。 如果将RL看成有RFID系统中应答器的反射电阻等组成，则电路的其他部分就是阅读器的功率输出电路，由于具有宽频带、效率高的特点，它是阅读器功率输出电路，特别是多频段阅读器功率输出电路的优选之一。1 12 2d dv iviv i722 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 2.4.4 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（或断开）的瞬间，只有当器件的电压（或电流）将为零后，才能导通（或断开）。732 2 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端 1、基本电路 （1）基本电路组成电感L2为恒流电感，L1C1为选频串联谐振回路，RL为负载电阻，C2为外加电容。E类功率放大器基本电路 742 2 电感耦合方式的射频前