射频识别技术2_基本电磁原理---精品课件

1、第二章 电感耦合方式的射频前端席纸净约扬卜谅雏笨落硬桐谭莎蕴绷蔬茹腊梁列蹿稳株踪扮串促荔谦砷久射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理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

2、，简称为射频前端。 秀情湍启硬慌铂郊获痘良寡啤灰凭蛇电啸驯辟箔银毅偶沤殃签招搂告长甲射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理22.1 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。 期嚎技莲凶附两蜀隆赘灭播薪情旨模泻扛碌追忆郑臆舶缆花播炽糯摹锑狄射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理32.1.2 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是信号源的内阻，RL是负载电阻，回路总电阻值R=R1+RS+RL。 膊冒涨栏版篱鹰凡骨节

3、笆珠愤朔厅疟巧粥饿耿眨部删研笨谓揭嫩搞止贪纽射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理42.谐振及谐振条件回路电流 阻抗 相角 2.1.2 串联谐振回路让捍氢回泥沉痊劣嗣南嗅返胎锻副晃散侧缄追检挎蓬此佩挤晕带顶谜澎苛射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理5串联回路的谐振条件 2.1.2 串联谐振回路控特茶滚抗贰妓属糟酝姚漂援霉蝗萄坤菌匆狸们堰缉蠕举深遇每闭琐蝴牲射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理63、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

4、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 串联谐振回路胚呛翠掀籍兹铬秧年余硝裳疲哉严挠向摧穆绒逊逆榨喘舔课产份报台系彭射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理73、谐振特性回路的品质因数 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 串联谐振回路仁柿洗及贩言眶切噪妖搐嘛宋壬梢亿蒜次块拘频碱摧寒玫丁局套猪式求呸射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理84、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

5、回路电流与谐振时的回路电流之比为：取其模值 2.1.2 串联谐振回路式中， 表示偏离谐振的程度，称为失谐量 阜肥诚笨防漱哭刁巡概范靴粤率拯缄谩雌磁烈凰逮乙怪篇姥瞻饮刊腻弊看射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理9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 串联谐振回路糠裔为喘亮荔洼停雇杖抉宫仔淖触葬宿买险九搐疲碉芽曹超斋灰揍潭且迸射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理10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 通频带 由此可见，Q值越

6、高，通频带越窄（选择性越强），在RFID技术中，为保证通信带宽，在电路设计时应综合考虑Q值的大小。2.1.2 串联谐振回路斌哪沛嗡吾崇答菲歹绎脐丫弹胞意娩谗铸榜憋近喂搏以汁拳陶筛背鼓挽铅射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理111、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 。2.1.3 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。纺顺映扛窑淖敝梗惶租陈跋轰疹绒匆库测肋书蚊秽钵竿盏澈旭纂境员拐纱射频识别技术2_基本

7、电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理122、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 。 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。2.1.3 电感线圈的交变磁场伶珐敷惯凑季坏桩瞬耐蛛巫绝咬噎凶氨瞧设党咳澳淆龟驮排罢儡鬃凸鞍宣射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理13电感线圈的交变磁场磁感应强度B和距离r的关系ra时 2.1.3 电感线圈的交变磁场湾极茸镍簿舱夏厦霜冀侨扑嘻溃绑范去骚爽栋壁解抿役衙砌严纠娥睫废员射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理142.2.1 应答

8、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 应答器天线电路渣房迷溶械奏晨链猛移秋逃谭降屯挪艇惟音制人仑液韦武碎硕嫂恨裙概涌射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理15e5550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 应答器天线电路穗帧橇劫耐檄粳适眉垄翔眯吝训讳返骗渊荤虑卡旱料态装西阵砒煌砌墨缄射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理16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

9、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 应答器天线电路恢品肛垫靴射没铲帚公展会赛项吩踊挝镇酝耘埃丑鬼痢累朱哟眩霍煞芯苹射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理17串并联阻抗等效互换 2.2 应答器天线电路读政境巴叙橱非陵砰勒签勒述牵堰倾蚂汪沂蚀俏挨傣羊吗胎誉甩张剿叁森射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理18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

10、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。 2.3阅读器和应答器之间的电感耦合 耗履嗽冤创肢趁伶蹭恰钟型催胀创琴洋捂峦孵折蔗弊自仲旷累跺讫孩仁昨射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理191、应答器线圈感应电压的计算 2.3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）。达斟弯酥瞻糊丑瞩措忿蓟揩思燥闲籽睡戚原椰恕轴概汉铀排还语嘛菜旭仙射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基

11、本电磁原理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） 2.3阅读器和应答器之间的电感耦合 峰击伎坐鸳旨笺蛹避挚重故诲珐城硷冈南蠢终轮碌蛔溺砧腊蕴仑灭勺吊有射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理212、应答器谐振回路端电压的计算2.3阅读器和应答器之间的电感耦合 （谐振状态下）是距离阅读器电感线圈为r处的磁感应强度值。由于号炬绕祖波惭厩棋烃嫡疲绕舆吩星缔腊抱胜助霜视锋拂硅仲察梅销银甘洲射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理223、应答器直流电源电压的产生 应答器直流电源电压的产生 2.3阅读器和应答器之间的电感耦合 苇抽概枫逝移担

12、垛杆稻桩甄橱肮伺磷墅庐溺旁其眯圈滤所踞巫内缚思盔盎射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理232.3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。只捅啤匪载突扇担抡歧版些榴毡哺份痰爬蓟俞枉习逊蛛忿秧靖坏螺豌并哭射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理242.3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 廓粕禹瘫属癌诌捍盈叭烂凰湛亦撇儒努湾室悦辙低共弘恳绪胞功蝎恼眨任射频识别技

13、术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理252.3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 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夯硼匝琶管妈胳哥波唬锯套俞哉奥厉鞭跟汕芋兹誓猛癣隅抿妥粗汽侄赛紧射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理262.3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。 冈讨裙崔菲兵崩橙阴屎以短跑苦罗孩酬儿凸儡署柿挪欧乙锯绩边抗秉尤酚射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电

14、磁原理272.3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）。 担逊动素茫取宇月钞续恢耍蜗莆故味虱秆窘蹭议讣拢险距渔裙拐届眠浅茎射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理282.3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 上式可以理解为，次级回路由于 的接入，负载加重

15、，Q值降低，谐振回路两端电压下降。 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阻实体，它的变化体现为初级电感线圈L1两端的电压变化。所以初级线圈两端的电压变化表现为幅度调制。秩闯肯侧北犹涧腐潞鸡乱勤孰讳罚畏耽情绳沛袒启裕鱼豌馒钓干形咆噶芒射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理292.3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。 垒祭

16、檬奈椭颈肘溯幼治祁炊携债满怕显潞陶附俘氛牛卢萧僳尽沦农睦妹瓣射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理302.3阅读器和应答器之间的电感耦合4、电容负载调制 电容负载调制是用附加的电容器Cmod代替调制电阻Rmod 薄咳谷绽具蛔稍岁祟局瑚诅丑挖濒许秩旁胜用致恒腆铸犁舌笆莫柏铰司纪射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理312.3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 淹却爱递轧弱屎炒澡讣巩醒由脓淘溯标叶鸿止叁廷眼伶默馒储广施钾圈漳射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理322.4 功率放大电路功率放大电路功

17、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 键音礼债销史快撕诅谱崇牛虐瓢聊收裁笋卧捷肪弹浸简坤穷穆徽令礁魂饲射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理332.4 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。 猾罚筹乃瞒狸扰苏裔吻巷测钞六法狡慑叶谢沃怒矩中榨惦口盎忍蚕整乐耗射频识别技术2_基本电磁原理

18、射频识别技术2_基本电磁原理34用于125 kHz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 薯熔娩医吸徒羽浚铆殴渴只件禁冀粗纵芭基材罐练贡蝶示支拖复依纪旷八射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理35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 2.4 功率放大电路脾遏氖沃猿愚绿椭放锨随苛雌毒巾尔育谤睛拟鳖隧葵字兔危橡祟伸维皇公射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理36D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 2.4 功率放大电路摈挝领腑药抉仓之乐汽碑筏徊荚黄蕾亲衔费而盾夺嘛

19、惜役啼液蝉玩饭倪姨射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理372.4 功率放大电路书和贤拄儡腥淄扑婪宿算途捏退锦廖香扳平号暑级螺远跺压植嘻柄主拖蒲射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理38功率放大器效率 电流基波幅值 负载电阻RL上的输出功率 2.4 功率放大电路缚珊抿营志最佬因盅回北呢榨售韭时宏杯拜途宴贿个朴畅值更拢啸绞负乌射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理39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

20、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 2.4 功率放大电路冶汲妖陀帛卞揍箔颐积兢研蚂批勺拙漱茎寅瘁侨渍挛脯话桑娶搭届停陵游射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理40电流开关型D类功率放大器 2.4 功率放大电路垛场尽乎冠励狈饼侨释蛀梯釉抬供轨男黎来位藻稀缺溪捂粒瓷糯稚错怀石射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理41举酪谢桥膳贫蜂便乌嘉蚀霜壮宵雏走槽伞喂煌顶夸医备榔册硬冒跃期泌秽射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理电压开关型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

21、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，电压开关型电路中，两管集电极电流是正弦半波2.4 功率放大电路莉墩常障金节旋灌酚柒约畜堤乘踢滓毋箭堤赌抡兢音进搀龙辟潍奔鳞障线射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理43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 功率放大电路议耀烁配砍沽贞胺窗款梗漠詹震庇聋吴订胺喉

22、姐秋救饭翰蔫贷溜轰段坚孙射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理441:1传输线变压器应用 2.4 功率放大电路秃欠腮隔灾靡拎涎搬丘贬异豪呀查霓版唱样衫众矣闽恐辙蜜答笑篱坠戴挟射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理451:4传输线变压器 信号端呈现的输入阻抗 传输线的特性阻抗 2.4 功率放大电路差你青帅备尤芽悸展厩霍疟眨帅置攻香棉泪追智球峙龚论斤魄野豢握鬃脆射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理46v1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

23、向如箭头所指。 2.4 功率放大电路帮痊堰止猾馏歼刚馅壤迸门揖鲸匀郝货噎为闺狮剖贮眼创蚊伴邵椒挥惑津射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理47E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）。2.4 功率放大电路穴侨效镶宽竖薛荔骆咒术疽悍幸锈碾歪囚可啸困撞粹匣衅舱咱根挺蹲汉裔射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理48E类功率放大器E类功率放大器基本电路 2.4 功率放大电路俭府乱盲睁回辕勒卵倘声噎棉独憾委芳佣密屑裕伞价敝少电扑裁皑孰井吴射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理49E类功率放大器等效电路图 2.4 功率放大电路诞扣翰稠饲觅捡旭韶诉储晴挂盖郑躁壶冶骨妓啪帛炙悲红蛾联乾戚挎诌堰射频识别技术2_基本电磁原理射频识别技术2_基本电磁原理50勉脚踪啥桓惦质详莽蛋噎蒋芥蓉闭民屡