學(xué)時的射頻前端

優(yōu)選學(xué)時的射頻前端現(xiàn)在是1頁\一共有50頁\編輯于星期二現(xiàn)在是2頁\一共有50頁\編輯于星期二從電子標(biāo)簽到讀寫器之間的通信和能量感應(yīng)方式來看，RFID系統(tǒng)一般可以分為電感耦合（磁耦合）系統(tǒng)和電磁反向散射耦合（電磁場耦合）系統(tǒng)。電感耦合系統(tǒng)是通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律；電磁反向散射耦合，即雷達原理模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標(biāo)后反射，同時攜帶回目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。電感耦合方式一般適合于高、低頻率工作的近距離RFID系統(tǒng)；電磁反向散射耦合方式一般適合于超高頻、微波工作頻率的遠距離RFID系統(tǒng)?，F(xiàn)在是3頁\一共有50頁\編輯于星期二現(xiàn)在是4頁\一共有50頁\編輯于星期二一、電感耦合RFID系統(tǒng)電感耦合的射頻載波頻率為13.56MHz和小于135KHz的頻段，應(yīng)答器和讀寫器之間的工作距離小于1m，典型的作用距離為10～20cm。現(xiàn)在是5頁\一共有50頁\編輯于星期二閱讀器如何將能量傳遞給應(yīng)答器？應(yīng)答器如何將數(shù)據(jù)傳遞給閱讀器？現(xiàn)在是6頁\一共有50頁\編輯于星期二7電感線圈的交變磁場安培定理指出，電流流過一個導(dǎo)體時，在此導(dǎo)體的周圍會產(chǎn)生一個磁場。磁場強度：現(xiàn)在是7頁\一共有50頁\編輯于星期二1、線圈的自感和互感讀寫器和電子標(biāo)簽線圈形式的天線相當(dāng)于電感。電感有自感和互感兩種。讀寫器線圈、電子標(biāo)簽線圈分別有自感，同時兩者之間形成互感現(xiàn)在是8頁\一共有50頁\編輯于星期二1）磁通量定義：磁場中穿過某一面積（S）的磁感線條數(shù)稱穿過該面積的磁通量。單位：Wb（韋伯）注：在RFID系統(tǒng)中，讀寫器和電子標(biāo)簽的線圈通常有很多匝，假設(shè)通過一匝線圈的磁通為，線圈的匝數(shù)為N。則通過N匝線圈的總磁通為現(xiàn)在是9頁\一共有50頁\編輯于星期二2）自感現(xiàn)象由于導(dǎo)體本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，叫自感現(xiàn)象。自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢叫自感電動勢。通過線圈的總磁通與電流的比值稱為線圈的自感，也即線圈的電感L。在RFID中，讀寫器的線圈和電子標(biāo)簽的線圈都有電感?，F(xiàn)在是10頁\一共有50頁\編輯于星期二3）互感現(xiàn)象當(dāng)?shù)谝粋€線圈上的電流產(chǎn)生磁場，并且該磁場通過第二個線圈時，通過第二個線圈的總磁通與第一個線圈上的電流的比值，稱為兩個線圈的互感。互感現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，稱為互感電動勢?，F(xiàn)在是11頁\一共有50頁\編輯于星期二互感現(xiàn)象的應(yīng)用：

利用互感現(xiàn)象可以把能量從一個線圈傳遞到另一個線圈，因此在電工技術(shù)和電子技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用如：變壓器現(xiàn)在是12頁\一共有50頁\編輯于星期二收音機里的磁性天線.收音機里的“磁性天線”利用互感現(xiàn)象可以把信號從一個線圈傳遞到另一個線圈?，F(xiàn)在是13頁\一共有50頁\編輯于星期二能量供給：閱讀器天線電路應(yīng)答器天線電路閱讀器和應(yīng)答器之間的電感耦合2、能量供給現(xiàn)在是14頁\一共有50頁\編輯于星期二15（1）閱讀器天線電路

RFID閱讀器的射頻前端常采用串聯(lián)諧振電路。串聯(lián)諧振回路具有電路簡單、成本低，激勵可采用低內(nèi)阻的恒壓源，諧振時可獲得最大的回路電流等特點，被廣泛采用。

閱讀器天線設(shè)計要求：天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量功率匹配，以最大限度地利用磁通量的可用能量，即最大程度地輸出讀寫器的能量足夠的帶寬，保證載波信號的傳輸，使讀寫器信號無失真輸出現(xiàn)在是15頁\一共有50頁\編輯于星期二16串聯(lián)諧振回路R1是電感線圈L損耗的等效電阻，RS是信號源的內(nèi)阻，RL是負(fù)載電阻，回路總電阻值R=R1+RS+RL?，F(xiàn)在是16頁\一共有50頁\編輯于星期二電路的等效阻抗為

當(dāng)正弦電壓的頻率w變化時，電路的等效復(fù)阻抗Z隨之變化。

當(dāng)感抗wL等于容抗（1/wC）時，復(fù)阻抗Z=R，串聯(lián)電路的等效復(fù)阻抗變成了純電阻，端電壓與端電流同相，這時就稱電路發(fā)生了串聯(lián)諧振。

現(xiàn)在是17頁\一共有50頁\編輯于星期二18串聯(lián)諧振回路回路電流

串聯(lián)回路的諧振條件

現(xiàn)在是18頁\一共有50頁\編輯于星期二19回路的品質(zhì)因數(shù)

品質(zhì)因數(shù)是衡量電路特性的一個重要物理量，它取決于電路的參數(shù)。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，必須考慮器件的耐壓問題，現(xiàn)在是19頁\一共有50頁\編輯于星期二20串聯(lián)諧振回路具有如下特性：（1）諧振時，回路電抗X=0，阻抗Z=R為最小值，且為純阻（2）諧振時，回路電流最大，且與Vs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倍現(xiàn)在是20頁\一共有50頁\編輯于星期二

當(dāng)電源電壓U及元件參數(shù)R、L、C都不改變時，電流幅值（有效值）隨頻率變化的曲線，如下圖所示。

當(dāng)電源頻率正好等于諧振頻率w0時，電流的值最大，最大值為I0=U/R；當(dāng)電源頻率向著w＞w0或w＜w0方向偏離諧振頻率w0時，阻抗∣Z∣都逐漸增大，電流也逐漸變小至零。說明只有在諧振頻率附近，電路中電流才有較大值，偏離這一頻率，電流值則很小，這種能夠把諧振頻率附近的電流選擇出來的特性稱為頻率選擇性。

諧振曲線：現(xiàn)在是21頁\一共有50頁\編輯于星期二注意：

在無線電技術(shù)方面，正是利用串聯(lián)諧振的這一特點，將微弱的信號電壓輸入到串聯(lián)諧振回路后，在電感或電容兩端可以得到一個比輸入信號電壓大許多倍的電壓，這是十分有利的。但在電力系統(tǒng)中，由于電源電壓比較高，如果電路在接近串聯(lián)諧振的情況下工作，在電感或電容兩端將出現(xiàn)過電壓，引起電氣設(shè)備的損壞。所以在電力系統(tǒng)中必須適當(dāng)選擇電路參數(shù)L和C，以避免發(fā)生諧振現(xiàn)象?，F(xiàn)在是22頁\一共有50頁\編輯于星期二線圈半徑取多少合適？現(xiàn)在是23頁\一共有50頁\編輯于星期二24電感線圈的交變磁場在電感耦合的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)。離線圈中心距離r處P點的磁感應(yīng)強度的大小為：現(xiàn)在是24頁\一共有50頁\編輯于星期二25電感線圈的交變磁場磁感應(yīng)強度B和距離r的關(guān)系r<<a時r>>a時結(jié)論：從線圈中心到一定距離磁場強度幾乎是不變的，而后急劇下降?，F(xiàn)在是25頁\一共有50頁\編輯于星期二線圈半徑取多少合適？現(xiàn)在是26頁\一共有50頁\編輯于星期二設(shè)r為常數(shù)，假定線圈中電流不變，則令可得，Bz具有最大值的條件為：結(jié)論：增加線圈半徑a會在較遠距離r處獲得最大場強，但r的增大，會使場強相對變小，以致影響應(yīng)答器的能量供應(yīng)。現(xiàn)在是27頁\一共有50頁\編輯于星期二低頻和高頻的電子標(biāo)簽的天線用于耦合讀寫器的磁通，該磁通向電子標(biāo)簽提供能量，并在讀寫器與電子標(biāo)簽之間傳遞信息。電子標(biāo)簽天線的構(gòu)造有如下要求：電子標(biāo)簽天線常采用并聯(lián)諧振電路。并聯(lián)諧振時，電路可以獲得最大的電壓；可最大程度的耦合讀寫器的能量；能根據(jù)帶寬要求調(diào)整諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，滿足接收的信號無失真。

電子標(biāo)簽天線上的感應(yīng)電壓最大，使電子標(biāo)簽線圈輸出最大的電壓功率匹配，電子標(biāo)簽最大程度的耦合來自讀寫器的能量足夠的帶寬，使電子標(biāo)簽接收的信號無失真。（2）電子標(biāo)簽的天線電路現(xiàn)在是28頁\一共有50頁\編輯于星期二29Microchip公司的13.56MHz應(yīng)答器（無源射頻卡）MCRF355和MCRF360芯片的天線電路

無源應(yīng)答器的天線電路多采用并聯(lián)諧振回路現(xiàn)在是29頁\一共有50頁\編輯于星期二30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）分析比較方便?，F(xiàn)在是30頁\一共有50頁\編輯于星期二

并聯(lián)諧振諧振條件+-實際中線圈的電阻很小，所以在諧振時有則：現(xiàn)在是31頁\一共有50頁\編輯于星期二32并聯(lián)諧振回路具有如下特性：（1）諧振時，回路電抗X=0，阻抗Z=R為最大值，且為純阻（2）諧振時，回路電流最小，端電壓最大（3）支路電流是總電流的Q倍+-現(xiàn)在是32頁\一共有50頁\編輯于星期二當(dāng)AntB端通過控制開關(guān)與Vss端短接時，諧振回路失諧，此時應(yīng)答器雖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能量，處于休眠狀態(tài)。當(dāng)AntB端開路時，諧振回路諧振在工作頻率（13.56MHz）上，應(yīng)答器可獲得能量，進入工作狀態(tài)。在諧振時，電感支路中電流最大，即諧振回路兩端可獲得最大電壓，這對無源應(yīng)答器的能量獲取是必要的?，F(xiàn)在是33頁\一共有50頁\編輯于星期二重點來了，別打瞌睡啰！現(xiàn)在是34頁\一共有50頁\編輯于星期二35（3）閱讀器和應(yīng)答器之間的電感耦合法拉第定理指出，一個時變磁場通過一個閉合導(dǎo)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。當(dāng)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，

當(dāng)距離足夠近，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，

閱讀器和應(yīng)答器才能進入

信息交互階段。

現(xiàn)在是35頁\一共有50頁\編輯于星期二應(yīng)答器線圈感應(yīng)電壓的計算電子標(biāo)簽感應(yīng)電壓與兩個線圈距離的3次方成反比，因此電子標(biāo)簽和讀寫器的距離越近，電子標(biāo)簽的耦合的電壓越大。因此，在電感耦合工作方式中，電子標(biāo)簽必須靠近讀寫器才能工作?，F(xiàn)在是36頁\一共有50頁\編輯于星期二37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

電子標(biāo)簽可采用全波整流電路，線圈耦合得到的交變電壓通過整流后直流電壓。電容Cp濾除高頻成分，同時作為儲能元件由于電子標(biāo)簽和讀寫器的距離不斷變化，使得電子標(biāo)簽獲得交變電壓也不斷變化，導(dǎo)致整流后的直流電壓不是很穩(wěn)定，因此需要穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的輸出給電子標(biāo)簽的芯片提供所需直流電壓?，F(xiàn)在是37頁\一共有50頁\編輯于星期二電子標(biāo)簽終于獲得了能量，但是電子標(biāo)簽如何向讀寫器傳遞它的信息呢？現(xiàn)在是38頁\一共有50頁\編輯于星期二39應(yīng)答器向閱讀器的信息傳送時采用負(fù)載調(diào)制技術(shù)

互感耦合回路的等效阻抗關(guān)系

3．?dāng)?shù)據(jù)傳輸現(xiàn)在是39頁\一共有50頁\編輯于星期二40電阻負(fù)載調(diào)制

開關(guān)S用于控制負(fù)載調(diào)制電阻Rmod的接入與否，開關(guān)S的通斷由二進制數(shù)據(jù)編碼信號控制。

二進制數(shù)據(jù)編碼信號用于控制開關(guān)S。當(dāng)二進制數(shù)據(jù)編碼信號為“1”時，設(shè)開關(guān)S閉合，則此時應(yīng)答器負(fù)載電阻為RL和Rmod并聯(lián)；而二進制數(shù)據(jù)編碼信號為“0”時，開關(guān)S斷開，應(yīng)答器負(fù)載電阻為RL。由于Rmod的接入，使得并聯(lián)電阻減小，導(dǎo)致品質(zhì)因數(shù)降低，這使得應(yīng)答器兩端的電壓減小?，F(xiàn)在是40頁\一共有50頁\編輯于星期二41電阻負(fù)載調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳遞的原理（a）是應(yīng)答器上控制開關(guān)S的二進制數(shù)據(jù)編碼信號，（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）是對閱讀器電感線圈上的電壓解調(diào)后的波形?，F(xiàn)在是41頁\一共有50頁\編輯于星期二42電容負(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由于接入電容Cmod，電子標(biāo)簽回路失諧，又由于讀寫器和電子標(biāo)簽的耦合作用，導(dǎo)致讀寫器也失諧。電容電容Cmod的接入可使電子標(biāo)簽線圈上的電壓下降，從而導(dǎo)致讀寫器線圈上的電壓的上升。電容負(fù)載調(diào)制的波形變化和電阻負(fù)載調(diào)制波形變化相似，但此時讀寫器線圈的電壓不僅發(fā)生振幅的變化，也發(fā)生相位的變化?，F(xiàn)在是42頁\一共有50頁\編輯于星期二4、功率放大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(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類放大器現(xiàn)在是43頁\一共有50頁\編輯于星期二補充知識：三極管的工作狀態(tài)現(xiàn)在是44頁\一共有50頁\編輯于星期二45用于125kHz閱讀器的B類放大器L3，C4和C5組成濾波網(wǎng)絡(luò)，該帶通濾波器的中心頻率125kHz方波經(jīng)三個非門輸出以提高源的帶負(fù)載能力VT1組成射級跟隨器，其輸出的正弦信號的正半周使VT2導(dǎo)通，負(fù)半周使VT3導(dǎo)通。現(xiàn)在是45頁\一共有50頁\編輯于星期二二、反向散射耦合RFID系統(tǒng)1．反向散射雷達技術(shù)為RFID的反向散射耦合方式提供了理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。當(dāng)電磁波遇到空間目標(biāo)時，其能量的一部分被目標(biāo)吸收，另一部分以不同的強度散射到各個方向。在散射的能量中，一小部分反射回發(fā)射天線，并被天線接收（因此發(fā)射天線也是接收天線），對接收信號進行放大和處理，即可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息?，F(xiàn)在是46頁\一共有50頁\編輯于星期二2．RFID反向散射耦合方式