第2章-22-RFID射频前端电路-2

第2章-22-RFID射频前端电路-2第一页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用第2章RFID系统的基本原理点击此处结束放映2.2

耦合方式的射频前端电路RFID电感耦合方式的射频前端2.2.1RFID电磁反向散射方式的射频前端2.2.2第二页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

低频和高频RFID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RFID能量和数据的传输。

点击此处结束放映RFID电感耦合方式的射频前端2.2.1第三页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用2.2.1.1线圈的自感和互感1.磁通量

磁感应强度通过曲面的通量称为磁通量，为（2.1）图2.1通过一个闭合回路的磁通量点击此处结束放映第四页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用2.线圈的电感

在RFID中，读写器的线圈与电子标签的线圈都有电感。线圈的电感为（2.3）点击此处结束放映第五页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用3.线圈的互感

两个线圈之间有互感。互感定义为（2.5）图2.4读写器与电子标签之间的互感点击此处结束放映第六页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用2.2.1.2RFID读写器的射频前端

对读写器天线电路的构造有如下要求。（1）读写器天线上的电流最大，使读写器线圈产生最大

的磁通；（2）功率匹配，最大程度地输出读写器的能量；（3）足够的带宽，使读写器信号无失真输出。因此，RFID读写器的射频前端常采用串联谐振电路。点击此处结束放映第七页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

图2.5读写器的射频前端

图2.6串联谐振电路

点击此处结束放映第八页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用1.谐振频率

只有当频率为某一特殊值时，才能产生谐振，此频率称为谐振频率。

谐振频率为(2.9)点击此处结束放映第九页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用2.品质因数

品质因数定义为(2.10)串联谐振电路的品质因数为(2.11)点击此处结束放映第十页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用3.输入阻抗

在谐振频率，电感的感抗和电容的容抗相互抵消，输入阻抗为

(2.13)

在其它频率，输入阻抗为复数。点击此处结束放映第十一页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用4.带宽

图2.7串联谐振电路的带宽带宽可以由品质因数和谐振频率求得，如果品质因数越高，则相对带宽越小。(2.16)点击此处结束放映第十二页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用5.有载品质因数

实际应用中，谐振电路总是要与外负载相耦合，由于外负载消耗能量，使有载品质因数下降。

无载品质因数、外部品质因数和有载品质因数关系为(2.19)点击此处结束放映第十三页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用2.2.1.3RFID电子标签的射频前端图2.8电子标签射频前端天线电路的结构

点击此处结束放映第十四页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用RFID电子标签的射频前端常采用并联谐振电路。

并联谐振电路如图2.9所示，由电阻、电感和电容并联而成。图2.9并联谐振电路

点击此处结束放映第十五页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

例2.1设计一个由理想电感和理想电容构成的并联谐振电路，

要求在负载

及

时，有载品质因数

。讨论通过改变电感和电容值提高有载品质因数的途径。

解

有载品质因数为点击此处结束放映第十六页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用所以电感为谐振时的角频率为

所以电容为点击此处结束放映第十七页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

可以通过将电感值降低

倍同时将电容值提高倍的方法来提高有载品质因数。例如选

，电感、电容和有载品质因数分别为点击此处结束放映第十八页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用2.2.1.4读写器与电子标签的电感耦合

1.电子标签的感应电压当电子标签进入读写器产生的磁场区域后，电子标签的线圈上就会产生感应电压，电子标签获得的能量可以使标签开始工作。图2.12电子标签并联谐振的等效电路点击此处结束放映第十九页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用2.电子标签的直流电压

电子标签通过与读写器电感耦合，产生交变电压，该交变电压通过整流、滤波和稳压后，给电子标签的芯片提供所需的直流电压。图4.13电子标签交变电压转换为直流电压点击此处结束放映第二十页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用2.2.1.5RFID负载调制技术

负载调制通过对电子标签振荡回路的电参数按照数据流的节拍进行调节，使电子标签阻抗的大小和相位随之改变，从而完成调制的过程。负载调制技术主要有电阻负载调制和电容负载调制两种方式。点击此处结束放映第二十一页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

图2.15电阻负载调制的波形变化过程点击此处结束放映第二十二页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

图2.15（a）为电子标签数据的二进制数据编码，图2.15（b）为电子标签线圈两端的电压，图2.15（c）为读写器线圈两端的电压，图2.15（d）为读写器线圈解调后的电压。可以看出，图2.15（a）与图2.15（d）的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。点击此处结束放映第二十三页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

RFID电磁反向散射方式的射频前端2.2点击此处结束放映第二十四页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用2.2.1微波射频前端的一般框图点击此处结束放映第二十五页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

微波RFID的射频前端主要包括发射机电路和接收机电路，需要处理收、发两个过程。天线接收到的信号通过双工器进入接收通道，然后通过带通滤波器进入放大器，这时信号的频率还为射频；射频信号在混频器中与本振信号混频，生成中频信号；中频信号的频率为射频与本振信号频率的差值，混频后中频信号的频率比射频信号的频率大幅度降低。发射的过程与接收的过程相反，在发射的通道中首先利用混频器将中频信号与本振信号混频，生成射频信号；然后将射频信号放大，并经过双工器由天线辐射出去。在上述过程中，滤波、放大、本地振荡器和混频都属于射频前端电路的范畴。点击此处结束放映第二十六页，共48页。倍频高频放大调制话筒声音发射天线音频放大高频振荡缓冲第二十七页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用2.2.2射频滤波器1.滤波器的类型

滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器4种基本类型。点击此处结束放映第二十八页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

2.低通滤波器原型

低通滤波器原型是设计滤波器的基础，集总元件低通、高通、带通、带阻滤波器以及分布参数滤波器，可以根据低通滤波器原型变换而来。

插入损耗作为考察滤波器的指标，用来讨论低通滤波器原型的设计方法。插入损耗定义为（4.22）点击此处结束放映第二十九页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用（1）巴特沃斯低通滤波器原型

如果滤波器在通带内的插入损耗随频率的变化是最平坦的，这种滤波器称为巴特沃斯滤波器。滤波器的结构可以为下图点击此处结束放映第三十页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用（2）切比雪夫低通滤波器原型

如果滤波器在通带内有等波纹的响应，这种滤波器称为切比雪夫滤波器，也称为等波纹滤波器。点击此处结束放映第三十一页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用3.滤波器的变换及集总参数滤波器

对低通滤波器原型进行反归一化设计，可以变换到任意源阻抗和任意频率的低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。（1）滤波器的变换

滤波器的变换包括阻抗变换和频率变换2个过程，以满足实际的源阻抗和工作频率。点击此处结束放映第三十二页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用（2）频率变换

点击此处结束放映第三十三页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用4.分布参数滤波器的设计

当频率不高时，集总元件滤波器工作良好。但当频率高于500Mz时，滤波器通常由分布参数元件构成。

点击此处结束放映第三十四页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用2.2.3射频低噪声放大器1.放大器稳定的定义

稳定性是指放大器抑制环境的变化（如信号频率、温度、源和负载等变化时），维持正常工作特性的能力。因此，放大器稳定意味着反射系数的模小于1。

点击此处结束放映第三十五页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用2.放大器的功率增益(2.28)功率增益与和匹配网络有关。点击此处结束放映第三十六页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用3.放大器输入输出驻波比

放大器输入、输出电压驻波比为(2.29)点击此处结束放映第三十七页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用4.放大器的噪声(2.30)(2.31)多级的级连的高增益放大器，仅第一级对总噪声有较大影响。点击此处结束放映第三十八页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用2.2.4射频功率放大器

功率放大器是大信号放大器，晶体管时常工作于非线性区域。功率放大器的效率是特别需要考虑的，放大器的效率定义为射频输出功率与直流输入功率之比，A类放大器的效率最高为50%。

点击此处结束放映第三十九页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

1.1dB增益压缩点

当输入功率较低时，输出与输入功率成线性关系；当晶体管的输入功率达到饱和状态时，其增益开始下降，或者称为压缩。当晶体管的功率增益从其小信号线性功率增益下降1dB时，对应的点称为1dB增益压缩点。点击此处结束放映第四十页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用2.交调失真

在非线性放大器的输入端加两个或两个以上频率的正弦信号时，在输出端将产生附加的频率分量。这些新的频率分量称为谐波失真或交调失真。

三阶交调

和

由于距

和

太近而落在了放大器的频带内，不易滤除，可以导致信号失真。点击此处结束放映第四十一页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用2.2.5射频振荡器

振荡器是一个非线性电路，它将直流（DC）功率转换为交流（AC）波形。振荡器的核心是一个能够在特定频率上实现正反馈的环路。点击此处结束放映第四十二页，共48页。物联网射频识别（RFID）技术与应用

1.振荡条件

（1）