电感耦合方式的射频前端

1、合肥工业大学 计算机与信息(xnx)学院RFID技术(jsh)基础单承赣 教授共七十七页射频识别的耦合方式有哪2种？它们分别基于什么原理(yunl)？它们的差异是什么？共七十七页32 电感耦合方式(fngsh)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(snsh)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

2、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。 共七十七页阅读器模型(mxng) 4共七十七页阅读器共七十七页 本章介绍基于电感耦合方式的射频前端电路的构造(guzo)和原理共七十七页72 电感耦合方式(fngsh)的射频前端2.1 阅读器天线(tinxin)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。 共七十七页82 电感耦合方式(fngsh)的射频前端串联(chunlin)谐振回路R1是电感线圈L损耗的等效电阻，RS是信号源

3、的内阻，RL是负载电阻，回路总电阻值R=R1+RS+RL。 共七十七页92 电感耦合方式(fngsh)的射频前端串联(chunlin)谐振回路回路电流 阻抗 相角 共七十七页102 电感耦合方式(fngsh)的射频前端串联谐振(xizhn)回路串联回路的谐振条件 共七十七页112 电感(din n)耦合方式的射频前端串联谐振(xizhn)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，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倍共七十七页122 电感耦合方式(fngsh)的射频前端串联谐振(xizhn)回路回路的品

4、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。 共七十七页132 电感(din n)耦合方式的射频前端谐振(xizhn)曲线取其模值 共七十七页142 电感(din n)耦合方式的射频前端谐振(xizhn)曲线串联谐振回路的谐振曲线 共七十七页152 电感(din n)耦合方式的射频前端通频带(pndi) 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 共七十七页162 电感耦合方式(fngsh)的射频前端2.1.3 电感线圈的交变磁场安培

5、定理(dngl)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 。共七十七页172 电感耦合方式(fngsh)的射频前端电感线圈的交变磁场(cchng)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 。（2.25）共七十七页182 电感耦合方式(fngsh)的射频前端电感线圈的交变磁场磁感应强度(qingd)B和距离r的关系ra时 共七十七页共七十七页(2)最佳(zu ji)线圈半径a设r为常数，并假定线圈中电流不变，讨论a和Bz的关系。由式（2.25）改写后求dBz/da=0的解，解得Bz具有最大值的条件为： （2.30） 该式说明，当线圈半径a一定时，在r=

6、0.707a处可获得最大场强（假定线圈中的电流大小不变）。在阅读器和应答器的天线电路中也常采用矩形线圈，在距离线圈为r处的磁感应强度的大小由书上（2.31）公式表示。 共七十七页212 电感耦合方式(fngsh)的射频前端2.2 应答器天线电路 2.2.1 应答器天线电路的连接(linji) 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 共七十七页共七十七页232 电感(din n)耦合方式的射频前端e5550芯片的天线(tinxin)电路 工作频率为125 kHz，电感线圈和电容器为外接。 共七十七页共七十七页252 电感耦合方

7、式(fngsh)的射频前端2.2.2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(fnx)比较方便。 共七十七页共七十七页272 电感耦合方式(fngsh)的射频前端2.2.3 串并联阻抗(zkng)等效互换 共七十七页282 电感(din n)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(dot)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

8、，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。 共七十七页2 电感(din n)耦合方式的射频前端2.3.1 应答器线圈感应(gnyng)电压的计算 共七十七页302 电感(din n)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(tinxin)电路的等效电路 共七十七页312 电感(din n)耦合方式的射频前端应答器谐振(xizhn)回路端电压的计算共七十七页设阅读器应能具有的作用距离为38cm，阅读器线圈(xinqun)的半径为0.1m，课求得N1i1=0.43（安匝）即：N1=1时电流为430mA。共七十七页332.3

9、.3 应答器直流电源电压(diny)的产生 应答器直流电源电压(diny)的产生 共七十七页342 电感(din n)耦合方式的射频前端整流(zhngli)与滤波 采用MOS管的全波整流电路 共七十七页共七十七页362 电感(din n)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(xnx)传送时采用 。1.耦合电路模型共七十七页372 电感耦合方式(fngsh)的射频前端2.互感耦合回路的等效阻抗(zkng)关系 共七十七页由上式根据电路关系可以(ky)画出初级和次级回路的等效电路如下图。共七十七页共七十七页402 电感耦合方式(fngsh)的射频前端3. 电阻负载调制 开关

10、S用于控制(kngzh)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2.21 原理电路图共七十七页412 电感(din n)耦合方式的射频前端电阻负载调制二进制数据编码信号用于控制(kngzh)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）。 共七十七页422 电感(din n)耦合方式的射频前端图2.21的等效电路次级(c j)回路等效电路中的端电压

11、 可知：当进行负载调制时，RLmRL，因此VCD电压下降。在实际电路中，电压的变化反映为电感线圈L2两端可测的电压变化。共七十七页由次级回路的阻抗Z22表达式得知，在负载调制时Z22下降，引起次级回路对初级回路的反射(fnsh)阻抗Zf1上升。若次级回路调整于谐振状态，其反射阻抗为0，则表现为反射电阻Rf1增加。它的变化体现为电感线圈L1两端的电压变化，即等效电路中端电压VAB的变化。在负载调制时，由于Rf1增大，所以VAB增大，即电感线圈L1两端的电压增大。由于Xf1=0，所以电感线圈两端的变化表现为幅度调制。初级(chj)回路等效电路中的端电压VAB 共七十七页442 电感(din n)耦

12、合方式的射频前端电阻负载调制数据信息(xnx)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。 图（a）与图（d）二进制数据编码一致，表明电阻负载调制完成了信息传递的工作。可见 ，应答器的二进制编码信号通过电阻负载调制方法传送到了阅读器，电阻负载调制过程是一个调幅过程。共七十七页452 电感(din n)耦合方式的射频前端电容(dinrng)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 共七十七页462 电感耦合方式(fngsh)的射频前端电容(

13、dinrng)负载调制电容负载调制时初、次级回路的等效电路 共七十七页电容负载调制的特性(txng)如下。 （1）在电阻负载调制中，读写器和电子标签在工作频率下都处于谐振状态；而在电容负载调制中，由于接入了电容Cmod ，电子标签回路失谐，又由于读写器 与电子标签的耦合作用，导致读写器也失谐。 （2）开关S的通断控制电容Cmod按数据流的时钟接通和断开，使电子标签的谐振频率在两个频率之间转换。 （3）通过定性分析可以知道，电容Cmod的接入使电子标签电感线圈上的电压下降。 （4）由于电子标签电感线圈上的电压下降，使读写器电感线圈上的电压上升。 （5）电容负载调制的波形变化，与电阻负载调制的波形

14、变化相似，但此时读写器电感线圈上电压不仅发生振幅的变化，也发生相位的变化，相位变化应尽量减小。 共七十七页482 电感(din n)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(wiy)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 共七十七页492 电感耦合方式(fngsh)的射频前端2.4.1 B类功率放大器 采用两个特性相同的功率管接成推挽(tu wn)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

15、，就可获得完整的正弦波。 共七十七页共七十七页51用于125 kHz阅读器的B类放大器 L3，C4和C5组成滤波网络(wnglu)，该带通滤波器的中心频率 共七十七页522 电感(din n)耦合方式的射频前端功率(gngl)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 共七十七页共七十七页共七十七页552 电感(din n)耦合方式的射频前端2.4.2 D类功率(gngl)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 共七十七页56共七十七页572 电感耦合方式(fngsh)的射频前端功率(gngl)放大器效率 电流基波幅值 负载电阻RL上的输出功率 共

16、七十七页582 电感耦合方式(fngsh)的射频前端在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(j b)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 共七十七页592 电感(din n)耦合方式的射频前端电流(dinli)开关型D类功率放大器 共七十七页共七十七页612 电感(din n)耦合方式的射频前端电压开关(kigun)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

17、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共七十七页622 电感耦合方式(fngsh)的射频前端2.4.3 传输线变压器耦合功率(gngl)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。 共七十七页632 电感(din n)耦合方式的射频前端1:1传输线变压器应用(yngyng) 共七十七页642 电感耦合方式(fngsh)的射频前端

18、1:4传输线变压器 信号端呈现(chngxin)的输入阻抗 传输线的特性阻抗 共七十七页652 电感耦合方式(fngsh)的射频前端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(jl)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。 共七十七页662 电感(din n)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(kigun)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）。共七十七页672 电感耦合方式(fngsh)的射频前端E类功率(gngl)放大器E类功率放大器基本电路 共七十七页682 电感耦合方式(fngsh)的射频前端E类功率(gngl)放大器等效电路图 共七十七页69共七十七页702 电感耦合方式(fngsh)的射频前端设计一个E类功率放大器，工作频率为1 MHz，输出到负载(fzi)RL=50 上的功率Po=5 W，电源电压VCC=24 V。 共七十七页712 电感(din n)耦合方式的射频前端2.4.5 电磁兼容 电子产品的电磁兼容性（EMC）包含两方面：一是电磁干扰（EMI），二是抗电磁干扰的能力（EMS）。在13.56 MHz频率，FCC的15.225节的