射頻識別RFID

1、射頻識別RFID 電感耦合方式的基礎是電感電容(LC)諧振回路和電感線圈產(chǎn)生的交變磁場，它是射頻卡工作的基本原理。（磁藕合） 反向散射耦合方式的理論基礎是電磁波傳播和反射的形成，它用于微波電子標簽。（電磁場藕合） 這兩種耦合方式的差異在于所使用的無線電射頻的頻率不同和作用距離的遠近，但相同的都是采用無線電射頻技術。 實現(xiàn)射頻能量和信息傳輸?shù)碾娐穼崿F(xiàn)射頻能量和信息傳輸?shù)碾娐贩Q為射頻前端電路，簡稱為射頻前端。 2.1閱讀器天線電路 一、3種典型的天線電路 串聯(lián)諧振回路 并聯(lián)諧振回路 具有初級和次級線圈的耦合電路二、串聯(lián)諧振回路電路組成及諧振條件 三、串聯(lián)諧振回路諧振特性 (1)諧振時，回路電抗X=

2、0，阻抗Z=R為最小值，且為純阻。 (2)諧振時，回路電流最大，即 ，且 與 同相。 (3)電感與電容兩端電壓的模值相等，且等于外加電壓的Q倍。 RVIVI 通常，回路的Q值可達數(shù)十到近百，諧振時電感線圈和電容器兩端的電壓可比信號源電壓大數(shù)十到百倍，這是串聯(lián)諧振時所特有的現(xiàn)象，所以串聯(lián)諧振又稱為電壓諧串聯(lián)諧振又稱為電壓諧振振。 對于串聯(lián)諧振回路，在選擇電路器件時，必須考慮器件的耐壓必須考慮器件的耐壓問題。 但這種高電壓對人并不存在傷害問題，因為人觸及后，諧振條件會被破壞，電流很快就會下降。 四、串聯(lián)諧振回路能量關系 五、諧振曲線和通頻帶 1、諧振曲線 回路中電流幅值與外加電壓頻率之間的關系曲線

3、，稱為諧振曲線。 由圖2.3諧振曲線可見，回路Q值越高，諧振曲線越尖銳，回路的選擇性越好。2、通頻帶 諧振回路的通頻帶:常用半功率點的兩個邊界頻率之間的間隔表示 Q值越高，通頻帶越窄（選擇性越強）。 在RFID技術中，為保證通信帶寬，在電路設計時應綜合考慮Q值的大小。 六、對Q值的理解 (1)電感的品質(zhì)因數(shù)： (2)回路的Q值： 1RLQLLSRRRR1 LSRRRLRLQ12.2應答器天線電路一、應答器常用芯片及天線電路的連接 當Ant.B端通過控制開關與Vss端短按時，諧振回路與工作頻率失諧，此時應答器芯片雖然已處于閱讀器的射頻能量場之內(nèi)，但因失諧無法獲得正常工作所需能量，處于休眠狀態(tài)。

4、當Ant.B端開路時，諧振回路諧振在工作頻率(13.56 MHz)上，應答器可獲得能量，進入工作狀態(tài)。 在圖2.8(a)和(b)中，電感和電容器都是外接于應答器芯片，整個電路被封裝在卡中。在圖2.8(c)中，電容被集成在芯片內(nèi)部，僅需要外接電感線圈。 e5550是工作頻率為125 kHz的無源射頻卡芯片，其天線電路的連接比較簡單，如圖2.9所示，電感線圈和電容器為外接。 除此之外，e5550芯片還提供電源（Vdd和Vss）和測試(Testl，Test2，Test3)引腳，供測試時快速編程和校驗，在射頻工作時不用。 無源應答器的天線電路多采用并聯(lián)諧振回路。 并聯(lián)諧振稱為電流諧振，在諧振時，電感和

5、電容支路中電流最大，即諧振回路兩端可獲得最大電壓，這對無源應答器的能量獲取是必要的。二、并聯(lián)諧振回路的電路組成與諧振條件 三、并聯(lián)諧振回路諧振特性 在并聯(lián)諧振時，把回路的感抗值（或容抗值）與電阻的比值，稱為并聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù) 。 在諧振時，并聯(lián)諧振回路的諧振電阻等于感抗值（或容抗值）的 倍，且具有純阻純阻性性。 當并聯(lián)諧振時，電感、電容支路的電流為信號源電流 的 倍，所以并聯(lián)諧振又稱并聯(lián)諧振又稱為電流諧振為電流諧振。 pQpQpQsI四、并聯(lián)諧振回路的諧振曲線和通頻帶 五、加入負載后的并聯(lián)諧振回路 2.3 閱讀器和應答器之間的電感耦合一、電感線圈的交變磁場 1、直線載流體的磁場強度H和磁感

6、應強度B 磁場強度 （A/m） 磁感應強度 2、環(huán)形短圓柱形線圈的磁感應強度 zzHraaNiB0232221102aiH2HBr0環(huán)形短圓柱形線圈的磁場圖 3、矩形線圈的磁感應強度2222222102121224rbrarbaabNiB二、應答器線圈感應電壓的計算 1、閱讀器線圈和應答器線圈之間的耦合像變壓器耦合一樣，初級線圈（閱讀器線圈）的電流產(chǎn)生磁通，該磁通在次級線圈（應答器線圈）產(chǎn)生感應電壓。因此，也有人稱電感耦合方式為變壓器耦合方式。但這種耦合的初、次級是獨立可分離的，耦合通過空間電磁場實現(xiàn)。 2、應答器線圈上感應電壓的大小和互感M大小成正比，互感M是兩個線圈參數(shù)的函數(shù)，并且和距離的

7、三次方成反比。 3、應答器要能從閱讀器獲得正常工作的能量，它必須要靠近閱讀器，其貼近程度是電感耦合方式RFID系統(tǒng)的一項重要性能指標，也稱為工作距離或讀寫距離（讀距離和寫距離可能會不一樣，通常讀距離大于寫距離）。 三、應答器諧振回路端電壓的計算 應答器的等效電路 圖四、應答器直流電源電壓的產(chǎn)生 五、負載調(diào)制 1、耦合電路模型 串、并聯(lián)阻抗的等效互換：2、互感耦合回路的等效阻抗關系 3、電阻負載調(diào)制電阻負載調(diào)制時初、次級回路的等效電路圖電阻負載調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)倪^程圖 4、電容負載調(diào)制 電容負載調(diào)制時初、次級回路的等等效電路圖2.4功率放大電路 功率放大電路位于RFID系統(tǒng)的閱讀器中，用于向應答

8、器提供能量 。 閱讀器中的功率放大電路采用諧振功率放大器 。 諧振功率放大器是指用諧振回路作為匹配網(wǎng)絡的功率放大器，統(tǒng)稱為諧振功率放大器。 功率放大器的分類 按照電流的流通角不同分為三類： A類（或稱甲類）：電流的流通角約為360。 B類（或稱乙類）：電流的流通角約為180。 c類（或稱丙類）：電流的流通角小于180。 還有使電子器件工作于開關狀態(tài)的功率放大電路分為： D類（或稱丁類）：是雙功率放大三極管工作于開關狀態(tài)，有電壓開關型、電流開關型等 。 E類（或稱戊類） ：是單功率放大三極管工作于開關狀態(tài) 。一、B類功率放大器 B類放大器采用兩個特性相同的功率管接成推挽電路，其中一管在正半周導通

9、，另一管在負半周導通，而后在負載上將它們的集電極電流波形合成，就可獲得完整的正弦波。 因此，B類推挽電路必須具有兩管交替工作和輸出波形合成兩個功能。典型應用電路 1、電路工作原理 2、功率傳輸 等效電路 符號含意 是P點的電壓， 是晶體管 和 的導通電阻， 是 和 兩管發(fā)射極所接電阻(10 )， 是電感 的損耗電阻， 是次級反射電阻， 是次級反射電抗， 應答器天線電路對125 kHz諧振，因此 ， 和 也諧振于125 kHz，此時回路自電抗 01fX1L1C 011X1fX1vsR2VT3VT2R1R 1L1fR2VT3VT 應答器不在閱讀器的能量場之內(nèi)（即M=0） 增大可以增加作用距離，但受

10、到以下因素的限制： 第一， 增大，對晶體管最大允許工作電流和允許最大功耗的要求提高，因此所用晶體管的價格可能也會提高； 第二， 增大，對直流電源電壓的要求也可能要提高，這樣閱讀器的功率損耗增加，對于采用電池供電的閱讀器就更為不利； 第三，對于電子設備，必須滿足嚴格的電磁兼 容標準，其交變磁場強度不能超出規(guī)定值。因此，電流 的大小必須合理設計。1i1i1i1i應答器進入閱讀器的能量場內(nèi)(M0) , ； 隨著M的增大， 增加， 和 會下降； 因此，功率放大電路在空載設計好后，不會因應答器的進入造成電子器件的損壞。 要使高，則 越大越好， 越小越好。但 越小則選頻的作用變差。 可見，閱讀器中功率放大

11、器的中介回路在完成能量傳輸時，其品質(zhì)因數(shù) 應比較高。 LQLQ LQLQ 0QQ 11ii 1fRQ1i 二、D類功率放大器 D類諧振式功率放大器有： 電壓開關型電壓開關型、電流開關型電流開關型等電路形式 。 1準互補電壓開關型D類功率放大器 (1)電路結(jié)構(gòu)與工作原理 (2)在 諧振回路的設計上應注意下述問題： 諧振回路應準確調(diào)諧于激勵信號的基波頻率上。若失諧嚴重，則負載 上的電流波形會產(chǎn)生較大失真，對輸出功率和效率均產(chǎn)生不良影響。同時，諧波功率的增加會對滿足電磁兼容性能的要求帶來不利因素。 如果失諧呈現(xiàn)大的電感性負載，那么失諧會引起晶體管集電極和發(fā)射極間出現(xiàn)高峰電壓，為保護功率放大管，可在其

12、集電極和發(fā)射極間并接一個保護二極管。 負載電阻 可理解為：1L1C 1L1CLR LR11fLRRR 從前述中介回路的傳輸效率的概念考慮，電感線圈 的損耗電阻 ，應小，即中介回路的空載品質(zhì)因數(shù)要高。 當中介回路空載時，電流 較大，其功率損耗為晶體管集電結(jié)損耗和電感線圈 的損耗電阻 上的功率損耗。 為防止 過大，可如圖2.26所示那樣加接電阻 和 ，但功率放大器損耗增加。為減小無負載的功率開銷，可采用功率放大電路平時休眠以及定時喚醒或事件喚醒的策略以節(jié)約能耗。 0i1L1R 0i1L1R 2R2R 2電流開關型D類功率放大器 (1)電路結(jié)構(gòu)與工作原理 (2)電壓開關型和電流開關型D類功率放大器的比較 在電壓開關型電路中，兩管是與電源電壓 串聯(lián)； 在電流開關型電路中，兩管是與電源電壓 并聯(lián)；在電壓開關型電路中，兩管集電極電流是正弦波，集電極與發(fā)射極間電壓為方波，流過負載的電流是正弦波。 在電流開關型電路中，兩管集電極電流是方波，集電極與發(fā)射極間電壓為正弦波，負載兩端電壓是正弦波。在電流開關型電路中，電流是方波，兩管輪流導電是從截止立即轉(zhuǎn)入飽和，或從飽和立即轉(zhuǎn)入截止。 實際上，電流的這種轉(zhuǎn)換是需要時間的。當頻率低時，轉(zhuǎn)換時間可以忽略不計，但當工作頻率高時，這一開關轉(zhuǎn)換時間便不容忽視，因而工作頻率上限受限制。 在電壓開關型電路中，兩管集電極電流是正弦波，