電感耦合方式的射頻前端

1、合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息(xnx)學(xué)院RFID技術(shù)(jsh)基礎(chǔ)單承贛 教授共七十七頁(yè)射頻識(shí)別的耦合方式有哪2種？它們分別基于什么原理(yunl)？它們的差異是什么？共七十七頁(yè)32 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端 射頻識(shí)別技術(shù)在工作頻率13.56 MHz和小于135 kHz時(shí)，基于電感耦合方式（能量及信息傳遞以電感耦合方式實(shí)現(xiàn)），在更高頻段基于雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的反向散射(snsh)耦合方式（雷達(dá)發(fā)射電磁波信號(hào)碰到目標(biāo)后攜帶目標(biāo)信息返回雷達(dá)接收機(jī)）。電感耦合方式的基礎(chǔ)是電感電容（LC）諧振回路及電感線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，它是射頻卡工作的基本原理。基于雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的反向散射耦合方式的基礎(chǔ)是電磁波

2、傳播和反射的形成，它用于微波電子標(biāo)簽。 實(shí)現(xiàn)射頻能量和信息傳遞的電路稱為射頻前端電路，簡(jiǎn)稱為射頻前端。 共七十七頁(yè)閱讀器模型(mxng) 4共七十七頁(yè)閱讀器共七十七頁(yè) 本章介紹基于電感耦合方式的射頻前端電路的構(gòu)造(guzo)和原理共七十七頁(yè)72 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端2.1 閱讀器天線(tinxin)電路 2.1.1閱讀器天線電路 的選擇在閱讀器中，串聯(lián)諧振回路具有電路簡(jiǎn)單、成本低，激勵(lì)可采用低內(nèi)阻的恒壓源，諧振時(shí)可獲得最大的回路電流等特點(diǎn)，被廣泛采用。 共七十七頁(yè)82 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端串聯(lián)(chunlin)諧振回路R1是電感線圈L損耗的等效電阻，RS是信號(hào)源

3、的內(nèi)阻，RL是負(fù)載電阻，回路總電阻值R=R1+RS+RL。 共七十七頁(yè)92 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端串聯(lián)(chunlin)諧振回路回路電流 阻抗 相角 共七十七頁(yè)102 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端串聯(lián)諧振(xizhn)回路串聯(lián)回路的諧振條件 共七十七頁(yè)112 電感(din n)耦合方式的射頻前端串聯(lián)諧振(xizhn)回路具有如下特性：（1）諧振時(shí)，回路電抗X=0，阻抗Z=R為最小值，且為純阻（2）諧振時(shí)，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倍共七十七頁(yè)122 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端串聯(lián)諧振(xizhn)回路回路的品

4、質(zhì)因數(shù) 通常，回路的Q值可達(dá)數(shù)十到近百，諧振時(shí)電感線圈和電容器兩端電壓可比信號(hào)源電壓大數(shù)十到百倍，在選擇電路器件時(shí)，必須考慮器件的耐壓?jiǎn)栴}。 共七十七頁(yè)132 電感(din n)耦合方式的射頻前端諧振(xizhn)曲線取其模值 共七十七頁(yè)142 電感(din n)耦合方式的射頻前端諧振(xizhn)曲線串聯(lián)諧振回路的諧振曲線 共七十七頁(yè)152 電感(din n)耦合方式的射頻前端通頻帶(pndi) 諧振回路的通頻帶通常用半功率點(diǎn)的兩個(gè)邊界頻率之間的間隔表示，半功率的電流比Im/I0m為0.707 。通頻帶 共七十七頁(yè)162 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端2.1.3 電感線圈的交變磁場(chǎng)安培

5、定理(dngl)指出，電流流過(guò)一個(gè)導(dǎo)體時(shí)，在此導(dǎo)體的周圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng) 。共七十七頁(yè)172 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端電感線圈的交變磁場(chǎng)(cchng)在電感耦合的RFID系統(tǒng)中，閱讀器天線電路的電感常采用短圓柱形線圈結(jié)構(gòu) 。（2.25）共七十七頁(yè)182 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端電感線圈的交變磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度(qingd)B和距離r的關(guān)系ra時(shí) 共七十七頁(yè)共七十七頁(yè)(2)最佳(zu ji)線圈半徑a設(shè)r為常數(shù)，并假定線圈中電流不變，討論a和Bz的關(guān)系。由式（2.25）改寫后求dBz/da=0的解，解得Bz具有最大值的條件為： （2.30） 該式說(shuō)明，當(dāng)線圈半徑a一定時(shí)，在r=

6、0.707a處可獲得最大場(chǎng)強(qiáng)（假定線圈中的電流大小不變）。在閱讀器和應(yīng)答器的天線電路中也常采用矩形線圈，在距離線圈為r處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小由書上（2.31）公式表示。 共七十七頁(yè)212 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端2.2 應(yīng)答器天線電路 2.2.1 應(yīng)答器天線電路的連接(linji) Microchip 公司的13.56 MHz應(yīng)答器（無(wú)源射頻卡）MCRF355和MCRF360芯片的天線電路 共七十七頁(yè)共七十七頁(yè)232 電感(din n)耦合方式的射頻前端e5550芯片的天線(tinxin)電路 工作頻率為125 kHz，電感線圈和電容器為外接。 共七十七頁(yè)共七十七頁(yè)252 電感耦合方

7、式(fngsh)的射頻前端2.2.2并聯(lián)諧振回路串聯(lián)諧振回路適用于恒壓源，即信號(hào)源內(nèi)阻很小的情況。如果信號(hào)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(shí)，采用恒流源（信號(hào)源內(nèi)阻很大）分析(fnx)比較方便。 共七十七頁(yè)共七十七頁(yè)272 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端2.2.3 串并聯(lián)阻抗(zkng)等效互換 共七十七頁(yè)282 電感(din n)耦合方式的射頻前端2.3 閱讀器和應(yīng)答器之間的電感耦合法拉第定理指出，一個(gè)時(shí)變磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)閉合導(dǎo)體(dot)回路時(shí)，在其上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，并在回路中產(chǎn)生電流。當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)入閱讀器產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)時(shí)，應(yīng)答器的電感線圈上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，當(dāng)距離足夠近

8、，應(yīng)答器天線電路所截獲的能量可以供應(yīng)答器芯片正常工作時(shí)，閱讀器和應(yīng)答器才能進(jìn)入信息交互階段。 共七十七頁(yè)2 電感(din n)耦合方式的射頻前端2.3.1 應(yīng)答器線圈感應(yīng)(gnyng)電壓的計(jì)算 共七十七頁(yè)302 電感(din n)耦合方式的射頻前端2.3.2 應(yīng)答器諧振回路端電壓的計(jì)算應(yīng)答器天線(tinxin)電路的等效電路 共七十七頁(yè)312 電感(din n)耦合方式的射頻前端應(yīng)答器諧振(xizhn)回路端電壓的計(jì)算共七十七頁(yè)設(shè)閱讀器應(yīng)能具有的作用距離為38cm，閱讀器線圈(xinqun)的半徑為0.1m，課求得N1i1=0.43（安匝）即：N1=1時(shí)電流為430mA。共七十七頁(yè)332.3

9、.3 應(yīng)答器直流電源電壓(diny)的產(chǎn)生 應(yīng)答器直流電源電壓(diny)的產(chǎn)生 共七十七頁(yè)342 電感(din n)耦合方式的射頻前端整流(zhngli)與濾波 采用MOS管的全波整流電路 共七十七頁(yè)共七十七頁(yè)362 電感(din n)耦合方式的射頻前端2.3.4 負(fù)載調(diào)制 應(yīng)答器向閱讀器的信息(xnx)傳送時(shí)采用 。1.耦合電路模型共七十七頁(yè)372 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端2.互感耦合回路的等效阻抗(zkng)關(guān)系 共七十七頁(yè)由上式根據(jù)電路關(guān)系可以(ky)畫出初級(jí)和次級(jí)回路的等效電路如下圖。共七十七頁(yè)共七十七頁(yè)402 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端3. 電阻負(fù)載調(diào)制 開關(guān)

10、S用于控制(kngzh)負(fù)載調(diào)制電阻Rmod的接入與否，開關(guān)S的通斷由二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)控制。 圖2.21 原理電路圖共七十七頁(yè)412 電感(din n)耦合方式的射頻前端電阻負(fù)載調(diào)制二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)用于控制(kngzh)開關(guān)S。當(dāng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)為“1”時(shí)，設(shè)開關(guān)S閉合，則此時(shí)應(yīng)答器負(fù)載電阻為RL和Rmod并聯(lián)；而二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)為“0”時(shí)，開關(guān)S斷開，應(yīng)答器負(fù)載電阻為RL。應(yīng)答器的負(fù)載電阻值有兩個(gè)對(duì)應(yīng)值，即RL（S斷開時(shí)）和RL與Rmod的并聯(lián)值RL/Rmod（S閉合時(shí)）。 共七十七頁(yè)422 電感(din n)耦合方式的射頻前端圖2.21的等效電路次級(jí)(c j)回路等效電路中的端電壓

11、 可知：當(dāng)進(jìn)行負(fù)載調(diào)制時(shí)，RLmRL，因此VCD電壓下降。在實(shí)際電路中，電壓的變化反映為電感線圈L2兩端可測(cè)的電壓變化。共七十七頁(yè)由次級(jí)回路的阻抗Z22表達(dá)式得知，在負(fù)載調(diào)制時(shí)Z22下降，引起次級(jí)回路對(duì)初級(jí)回路的反射(fnsh)阻抗Zf1上升。若次級(jí)回路調(diào)整于諧振狀態(tài)，其反射阻抗為0，則表現(xiàn)為反射電阻Rf1增加。它的變化體現(xiàn)為電感線圈L1兩端的電壓變化，即等效電路中端電壓VAB的變化。在負(fù)載調(diào)制時(shí)，由于Rf1增大，所以VAB增大，即電感線圈L1兩端的電壓增大。由于Xf1=0，所以電感線圈兩端的變化表現(xiàn)為幅度調(diào)制。初級(jí)(chj)回路等效電路中的端電壓VAB 共七十七頁(yè)442 電感(din n)耦

12、合方式的射頻前端電阻負(fù)載調(diào)制數(shù)據(jù)信息(xnx)傳遞的原理（a）是應(yīng)答器上控制開關(guān)S的二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)，（b）是應(yīng)答器電感線圈上的電壓波形，（c）是閱讀器電感線圈上的電壓波形，（d）是對(duì)閱讀器電感線圈上的電壓解調(diào)后的波形。 圖（a）與圖（d）二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼一致，表明電阻負(fù)載調(diào)制完成了信息傳遞的工作?？梢?jiàn) ，應(yīng)答器的二進(jìn)制編碼信號(hào)通過(guò)電阻負(fù)載調(diào)制方法傳送到了閱讀器，電阻負(fù)載調(diào)制過(guò)程是一個(gè)調(diào)幅過(guò)程。共七十七頁(yè)452 電感(din n)耦合方式的射頻前端電容(dinrng)負(fù)載調(diào)制 電容負(fù)載調(diào)制是用附加的電容器Cmod代替調(diào)制電阻Rmod 共七十七頁(yè)462 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端電容(

13、dinrng)負(fù)載調(diào)制電容負(fù)載調(diào)制時(shí)初、次級(jí)回路的等效電路 共七十七頁(yè)電容負(fù)載調(diào)制的特性(txng)如下。 （1）在電阻負(fù)載調(diào)制中，讀寫器和電子標(biāo)簽在工作頻率下都處于諧振狀態(tài)；而在電容負(fù)載調(diào)制中，由于接入了電容Cmod ，電子標(biāo)簽回路失諧，又由于讀寫器 與電子標(biāo)簽的耦合作用，導(dǎo)致讀寫器也失諧。 （2）開關(guān)S的通斷控制電容Cmod按數(shù)據(jù)流的時(shí)鐘接通和斷開，使電子標(biāo)簽的諧振頻率在兩個(gè)頻率之間轉(zhuǎn)換。 （3）通過(guò)定性分析可以知道，電容Cmod的接入使電子標(biāo)簽電感線圈上的電壓下降。 （4）由于電子標(biāo)簽電感線圈上的電壓下降，使讀寫器電感線圈上的電壓上升。 （5）電容負(fù)載調(diào)制的波形變化，與電阻負(fù)載調(diào)制的波形

14、變化相似，但此時(shí)讀寫器電感線圈上電壓不僅發(fā)生振幅的變化，也發(fā)生相位的變化，相位變化應(yīng)盡量減小。 共七十七頁(yè)482 電感(din n)耦合方式的射頻前端2.4 功率放大電路功率放大電路位于(wiy)RFID系統(tǒng)的閱讀器中，用于向應(yīng)答器提供能量采用諧振功率放大器分為A類（或稱甲類）、B類（或稱乙類）、C類（或稱丙類）三類工作狀況在電感耦合RFID系統(tǒng)的閱讀器中，常采用B，D和E類放大器 共七十七頁(yè)492 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端2.4.1 B類功率放大器 采用兩個(gè)特性相同的功率管接成推挽(tu wn)電路，它使一管在正半周導(dǎo)通，另一管在負(fù)半周導(dǎo)通，而后在負(fù)載上將它們的集電極電流波形合成

15、，就可獲得完整的正弦波。 共七十七頁(yè)共七十七頁(yè)51用于125 kHz閱讀器的B類放大器 L3，C4和C5組成濾波網(wǎng)絡(luò)(wnglu)，該帶通濾波器的中心頻率 共七十七頁(yè)522 電感(din n)耦合方式的射頻前端功率(gngl)傳輸 等效電路 從阻抗匹配的條件下負(fù)載可獲得最大功率考慮，則應(yīng)滿足 共七十七頁(yè)共七十七頁(yè)共七十七頁(yè)552 電感(din n)耦合方式的射頻前端2.4.2 D類功率(gngl)放大器D類諧振式功率放大器有電壓開關(guān)型、電流開關(guān)型等電路形式 共七十七頁(yè)56共七十七頁(yè)572 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端功率(gngl)放大器效率 電流基波幅值 負(fù)載電阻RL上的輸出功率 共

16、七十七頁(yè)582 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端在L1C1諧振回路的設(shè)計(jì)上應(yīng)注意下述問(wèn)題L1C1諧振回路應(yīng)準(zhǔn)確調(diào)諧于激勵(lì)信號(hào)的基波(j b)頻率上 為保護(hù)功率放大管，可在其集電極C和發(fā)射極E間并接一個(gè)保護(hù)二極管 諧振回路中的負(fù)載RL在電感耦合方式的RFID系統(tǒng)中很容易理解為應(yīng)答器反射電阻Rf1和電感線圈損耗電阻R1之和 共七十七頁(yè)592 電感(din n)耦合方式的射頻前端電流(dinli)開關(guān)型D類功率放大器 共七十七頁(yè)共七十七頁(yè)612 電感(din n)耦合方式的射頻前端電壓開關(guān)(kigun)型Vs電流開關(guān)型在電壓開關(guān)型電路中，兩管是與電源電壓VCC串聯(lián)的。電流開關(guān)型電路中，兩管與電源

17、電壓VCC并聯(lián)電壓開關(guān)型電路中，兩管集電極電流是正弦半波，集電極與發(fā)射極間電壓為方波，負(fù)載流過(guò)的電流是正弦波。電流開關(guān)型電路中，兩管集電極電流是方波，集電極和發(fā)射極間電壓是正弦半波，負(fù)載兩端電壓是正弦波。在電流開關(guān)型電路中，電流是方波，電壓開關(guān)型電路中，兩管集電極電流是正弦半波共七十七頁(yè)622 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端2.4.3 傳輸線變壓器耦合功率(gngl)放大器 具有兩種方式：一種按傳輸線方式來(lái)工作，另一種是按照變壓器方式工作。 共七十七頁(yè)632 電感(din n)耦合方式的射頻前端1:1傳輸線變壓器應(yīng)用(yngyng) 共七十七頁(yè)642 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端

18、1:4傳輸線變壓器 信號(hào)端呈現(xiàn)(chngxin)的輸入阻抗 傳輸線的特性阻抗 共七十七頁(yè)652 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端v1和v2為晶體管VT1和VT2的集電極電壓，很顯然在輸入開關(guān)信號(hào)激勵(lì)(jl)下，兩管集電極電壓為方波，且電壓反相。兩管集電極電流為正弦半波，各電流的方向如箭頭所指。 共七十七頁(yè)662 電感(din n)耦合方式的射頻前端2.4.4 E類功率放大器 單管工作于開關(guān)(kigun)狀態(tài)，諧波成分主要為二次諧波。它選取適當(dāng)?shù)呢?fù)載網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以使它的瞬態(tài)響應(yīng)最佳。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通（或斷開）的瞬間，只有當(dāng)器件的電壓（或電流）將為零后，才能導(dǎo)通（或斷開）。共七十七頁(yè)672 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端E類功率(gngl)放大器E類功率放大器基本電路 共七十七頁(yè)682 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端E類功率(gngl)放大器等效電路圖 共七十七頁(yè)69共七十七頁(yè)702 電感耦合方式(fngsh)的射頻前端設(shè)計(jì)一個(gè)E類功率放大器，工作頻率為1 MHz，輸出到負(fù)載(fzi)RL=50 上的功率Po=5 W，電源電壓VCC=24 V。 共七十七頁(yè)712 電感(din n)耦合方式的射頻前端2.4.5 電磁兼容 電子產(chǎn)品的電磁兼容性（EMC）包含兩方面：一是電磁干擾（EMI），二是抗電磁干擾的能力（EMS）。在13.56 MHz頻率，F(xiàn)CC的15.225節(jié)的