射頻識別技術(shù)第八章

1、西華師范大學計算機學院第八章第八章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端金洪穎金洪穎28 電感耦合方式的射頻前端 射頻識別技術(shù)在工作頻率射頻識別技術(shù)在工作頻率13.56 MHz和小于和小于135 kHz時，基于時，基于電感耦合電感耦合方式（能量及信息傳遞方式（能量及信息傳遞以電感耦合方式實現(xiàn)），在以電感耦合方式實現(xiàn)），在更高頻段更高頻段基于雷達基于雷達探測目標的探測目標的反向散射耦合反向散射耦合方式（雷達發(fā)射電磁方式（雷達發(fā)射電磁波信號碰到目標后攜帶目標信息返回雷達接收波信號碰到目標后攜帶目標信息返回雷達接收機）。機）。 實現(xiàn)射頻能量和信息傳遞的電路稱為實現(xiàn)射頻能量和信息傳遞的電路稱為

2、射頻前端射頻前端電路，簡稱為射頻前端電路，簡稱為射頻前端。 38.1 閱讀器天線電路在閱讀器中，在閱讀器中，串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路具具有電路簡單、成本低，激勵可有電路簡單、成本低，激勵可采用低內(nèi)阻的恒壓源，諧振時采用低內(nèi)阻的恒壓源，諧振時可獲得最大的回路電流等特點，可獲得最大的回路電流等特點，被廣泛采用。被廣泛采用。 48 電感耦合方式的射頻前端 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路R1是電感線圈L損耗的等效電阻，RS是信號源sV的內(nèi)阻，RL是負載電阻，回路總電阻值R=R1+RS+RL。 58 電感耦合方式的射頻前端 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路1jjsssVVVIZRXRLC回路電流I 22221ZRXR

3、LC阻抗的模阻抗的模相角相角 1arctanarctanLXCRR68 電感耦合方式的射頻前端 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路10XLC串聯(lián)回路的諧振條件 01LC012fLC001LLCC特性特性阻抗阻抗78 電感耦合方式的射頻前端 串聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路 在工程中，通常用電路的特性阻抗在工程中，通常用電路的特性阻抗與回路的電與回路的電阻阻值阻阻值R的比值來表征諧振電路的性質(zhì)，此比值稱為的比值來表征諧振電路的性質(zhì)，此比值稱為串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，用串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，用Q表示，即：表示，即： 00111LLQRCRR CR88 電感耦合方式的射頻前端 串聯(lián)諧振回路具有如下串聯(lián)諧振回路具有如

4、下特性特性：（1）諧振時，回路電抗）諧振時，回路電抗X=0，阻抗，阻抗Z=R為最小為最小值，且為純阻值，且為純阻（2）諧振時，回路電流最大，且與外加電壓）諧振時，回路電流最大，且與外加電壓同相同相（3）電感與電容兩端電壓的模值相等，且等）電感與電容兩端電壓的模值相等，且等于外加電壓的于外加電壓的Q倍。倍。8 電感耦合方式的射頻前端 通常，回路的通常，回路的Q值可達數(shù)十到近百，諧振時電值可達數(shù)十到近百，諧振時電感線圈和電容器兩端電壓可比信號源電壓大數(shù)感線圈和電容器兩端電壓可比信號源電壓大數(shù)十到百倍，在選擇電路器件時，必須考慮器件十到百倍，在選擇電路器件時，必須考慮器件的耐壓問題，的耐壓問題， 8

5、 電感耦合方式的射頻前端 能量關(guān)系能量關(guān)系設(shè)諧振時瞬時電流幅值為設(shè)諧振時瞬時電流幅值為I0m，則瞬時電流為：，則瞬時電流為：電感上存儲的瞬時能量為：電感上存儲的瞬時能量為：)sin(0tIim)(sin21212202tLILiwmL8 電感耦合方式的射頻前端 電容上儲存的瞬時能量為：電容上儲存的瞬時能量為： 電容器兩端的瞬時電壓為：電容器兩端的瞬時電壓為：221Cuwc)cos(-u(t)0tCIm8 電感耦合方式的射頻前端 電容器上存儲的瞬時能量為：電容器上存儲的瞬時能量為：（t)LI（t)ICLC （t)ILC （t)IRCQ（t)CIC(t)Cuwmmmmmc2202200022022

6、0220222220202cos21cos121cos21cos21cos21218 電感耦合方式的射頻前端 電感儲能和電容器儲能之和為：電感儲能和電容器儲能之和為： 電阻上一個周期電阻上一個周期T消耗的能量為：消耗的能量為：2021mCLLIwww0202020212121)22(fRIRTIRTIRTIwmmmR8 電感耦合方式的射頻前端 回路中存儲的能量與電阻，每周期消耗的能量回路中存儲的能量與電阻，每周期消耗的能量之比為：之比為： 所以從能量的角度看，品質(zhì)因數(shù)所以從能量的角度看，品質(zhì)因數(shù)Q可以表示為可以表示為22121210002020QRLRLffRILIwwwmmRCL每周期耗能回

7、路儲能2Q8 電感耦合方式的射頻前端 電感線圈的交變磁場電感線圈的交變磁場 畢奧畢奧薩伐爾定律薩伐爾定律LLrrlIdBdBrrlIdBdlIdIld30304rr4處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度：任意線電流在的矢量。為從源點流到場點方向其中磁感應(yīng)強度為：產(chǎn)生的磁場的的小電流元通過電流為長度為8 電感耦合方式的射頻前端 環(huán)形短圓柱型線圈的磁感應(yīng)強度環(huán)形短圓柱型線圈的磁感應(yīng)強度量的疊加。在該處軸向分是所有點的量相互抵消，因而在垂直軸線方向上的分產(chǎn)生的點所有在應(yīng)強度為點產(chǎn)生的磁感在BdBBdlIdrrlIdBdlIdpp4p30rxalIdBdprxalIdBdp8 電感耦合方式的射頻前端2322202322

8、20222202222220202030(2(2(42sin,42sin4sin4）匝，則若線圈為）又xaIaNBNxaIaxaaxaaIBxaaraxarraIdlrIrrlIdBdBaLL8 電感耦合方式的射頻前端 討論：討論： 當當xa時，時， 結(jié)論：從線圈中心到一定距離磁場強度幾乎不結(jié)論：從線圈中心到一定距離磁場強度幾乎不變，而后急劇下降。最大值在變，而后急劇下降。最大值在x= 處取得。處取得。HaINB002zHxINaB0320228 電感耦合方式的射頻前端 最佳線圈半徑最佳線圈半徑處可得到最大場強。固定時，在也就是當時，可獲得最大場強。處，當線圈半徑即在一定距離得令（的關(guān)系：與電

9、流不變，討論為常數(shù)，并假定線圈中設(shè)aaxxaxadaxaaiNBB707. 02a2x20dB)2ax2322208 電感耦合方式的射頻前端 矩形線圈的磁感應(yīng)強度矩形線圈的磁感應(yīng)強度222222202121)2()2(4xbxaxbaNiabB218 電感耦合方式的射頻前端 應(yīng)答器的天線電路應(yīng)答器的天線電路 Microchip 公司的公司的13.56 MHz應(yīng)答器（無源射頻應(yīng)答器（無源射頻卡）卡）MCRF355和和MCRF360芯片的天線電路芯片的天線電路 228 電感耦合方式的射頻前端 e5550芯片的天線電路芯片的天線電路 工作頻率為工作頻率為125 kHz，電感線圈和電容器為外接。，電感

10、線圈和電容器為外接。 238 電感耦合方式的射頻前端 并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路 串聯(lián)諧振回路適用于恒壓源，即信號源內(nèi)阻很小的情況。串聯(lián)諧振回路適用于恒壓源，即信號源內(nèi)阻很小的情況。 如果信號源的內(nèi)阻大，應(yīng)采用并聯(lián)諧振回路。如果信號源的內(nèi)阻大，應(yīng)采用并聯(lián)諧振回路。 在研究并聯(lián)諧振回路時，采用恒流源（信號源內(nèi)阻很大）在研究并聯(lián)諧振回路時，采用恒流源（信號源內(nèi)阻很大）分析比較方便。分析比較方便。 8 電感耦合方式的射頻前端 并聯(lián)諧振條件并聯(lián)諧振條件)1(1)1()1()1(11)11111111LCjLCRCLjCRLCLjRCLCLjRCjLjZLjLjRRLCjLjRCjLjRZ（8 電感耦合方

11、式的射頻前端NoImageLCBLCRGLCjLCRY1)1(11，電納電導導納LCfLCIVLCBpSp212110pp諧振頻率并聯(lián)諧振條件為：同相，達到最大值與電壓時，時，即當并聯(lián)電路電納8 電感耦合方式的射頻前端 諧振特性：諧振特性： 1. 并聯(lián)諧振回路諧振時的諧振電阻為并聯(lián)諧振回路諧振時的諧振電阻為純電阻純電阻 2. 諧振時電感和電容中電流的諧振時電感和電容中電流的幅值幅值為外加電流為外加電流源的源的Qp倍。倍。278 電感耦合方式的射頻前端 串并聯(lián)阻抗等效互換串并聯(lián)阻抗等效互換 22222222112222222222(j)()jjjxRXR XR XZRRXRXRXRX222212

12、2222221/xR XRRRRXRX2222122222221/R XXXRXXR288 電感耦合方式的射頻前端 閱讀器和應(yīng)答器之間的電感耦合閱讀器和應(yīng)答器之間的電感耦合 法拉第定理指出，一個時變磁場通過一個閉合導體回路法拉第定理指出，一個時變磁場通過一個閉合導體回路時，在其上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，并在回路中產(chǎn)生電流。時，在其上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，并在回路中產(chǎn)生電流。 當應(yīng)答器進入閱讀器產(chǎn)生的交變磁場時，應(yīng)答器的電感當應(yīng)答器進入閱讀器產(chǎn)生的交變磁場時，應(yīng)答器的電感線圈上就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，線圈上就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，當距離足夠近，應(yīng)答器天線當距離足夠近，應(yīng)答器天線電路所截獲的能量可以供電路所截獲的能量可以供

13、應(yīng)答器芯片正常工作時，應(yīng)答器芯片正常工作時，閱讀器和應(yīng)答器才能進入閱讀器和應(yīng)答器才能進入信息交互階段。信息交互階段。 8 電感耦合方式的射頻前端 應(yīng)答器線圈感應(yīng)電壓的計算應(yīng)答器線圈感應(yīng)電壓的計算 SraaiNtNStNtNvd2ddddddd232221102222B22ddddvNtt 2NSB d8 電感耦合方式的射頻前端dtdiMVraSNNMdtdiraSNNVBSB2232221023222102)(2)(220則線圈之間的互感，稱為閱讀器與應(yīng)答器令則平面垂直于線圈，即磁感應(yīng)強度夾角與設(shè)討論：討論：1 1、感應(yīng)電壓的大小與互感大小成正比；、感應(yīng)電壓的大小與互感大小成正比；2 2、互感

14、與距離的三次方成反比、互感與距離的三次方成反比結(jié)論：為了獲得大的能量，應(yīng)答器必須結(jié)論：為了獲得大的能量，應(yīng)答器必須靠近閱讀器靠近閱讀器318 電感耦合方式的射頻前端 應(yīng)答器諧振回路端電壓的計算應(yīng)答器諧振回路端電壓的計算 應(yīng)答器天線電路的等效電路應(yīng)答器天線電路的等效電路 328 電感耦合方式的射頻前端 應(yīng)答器諧振回路端電壓的計算應(yīng)答器諧振回路端電壓的計算201223 222dd2iN N a SivQtar 2012212z3/222cos22mN avQ N SItfN SQar B201z13/222cos2mN aItarB8 電感耦合方式的射頻前端例題：例題： MCRF355芯片工作于芯

15、片工作于13.56MHz，其天線電路，其天線電路封裝在封裝在ID-1型卡中，型卡中，卡尺寸為卡尺寸為85.6mm54mm0.76mm，當，當MCRF355芯片芯片的天線電路上具有的天線電路上具有4V（峰值）（峰值）電壓時，器件可電壓時，器件可達到正常工作所需的達到正常工作所需的2.4V直流電壓。設(shè)天線電直流電壓。設(shè)天線電路的路的Q值為值為40，線圈匝數(shù)，線圈匝數(shù)N2=4，試求閱讀器電試求閱讀器電感線圈的電流值。感線圈的電流值。348 電感耦合方式的射頻前端 應(yīng)答器直流電源電壓的產(chǎn)生應(yīng)答器直流電源電壓的產(chǎn)生 應(yīng)答器直流電源電壓的產(chǎn)生 358 電感耦合方式的射頻前端 整流與濾波整流與濾波 采用MO

16、S管的全波整流電路 368 電感耦合方式的射頻前端 負載調(diào)制負載調(diào)制 耦合電路模型耦合電路模型378 電感耦合方式的射頻前端 互感耦合回路的等效阻抗關(guān)系互感耦合回路的等效阻抗關(guān)系 12111jZ IM IV1222j0M IZI1121122VIMZZ11222211j MVZIMZZ388 電感耦合方式的射頻前端 電阻負載調(diào)制電阻負載調(diào)制 開關(guān)開關(guān)S用于控制負載調(diào)制電阻用于控制負載調(diào)制電阻Rmod的接入與否，的接入與否，開關(guān)開關(guān)S的通斷由二進制數(shù)據(jù)編碼信號控制。的通斷由二進制數(shù)據(jù)編碼信號控制。 M L1 L2 C1 C2 RL S Rmod R2 398 電感耦合方式的射頻前端 電阻負載調(diào)制

17、電阻負載調(diào)制 二進制數(shù)據(jù)編碼信號用于控制開關(guān)二進制數(shù)據(jù)編碼信號用于控制開關(guān)S。當二進制。當二進制數(shù)據(jù)編碼信號為數(shù)據(jù)編碼信號為“1”時，設(shè)開關(guān)時，設(shè)開關(guān)S閉合，則此時閉合，則此時應(yīng)答器負載電阻為應(yīng)答器負載電阻為RL和和Rmod并聯(lián)；而二進制數(shù)并聯(lián)；而二進制數(shù)據(jù)編碼信號為據(jù)編碼信號為“0”時，開關(guān)時，開關(guān)S斷開，應(yīng)答器負載斷開，應(yīng)答器負載電阻為電阻為RL。 應(yīng)答器的負載電阻值有兩個對應(yīng)值，即應(yīng)答器的負載電阻值有兩個對應(yīng)值，即RL（S斷開時）和斷開時）和RL與與Rmod的并聯(lián)值的并聯(lián)值RL/Rmod（S閉合閉合時）。時）。 408 電感耦合方式的射頻前端 電阻負載調(diào)制電阻負載調(diào)制418 電感耦合方式的射頻前端 電阻負載調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳遞的原理電阻負載調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳