第2章 電感耦合方式的射頻前端

合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院《RFID原理與應(yīng)用》第2版單承贛教授2第2章電感耦合方式的射頻前端

射頻識(shí)別技術(shù)在工作頻率13.56MHz和小于135kHz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?；诶走_(dá)探測(cè)目標(biāo)的反向散射耦合方式的基礎(chǔ)是電磁波傳播和反射的形成，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。3第2章電感耦合方式的射頻前端2.1閱讀器天線電路在閱讀器中，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。

4第2章電感耦合方式的射頻前端串聯(lián)諧振回路R1是電感線圈L損耗的等效電阻，RS是信號(hào)源的內(nèi)阻，RL是負(fù)載電阻，回路總電阻值R=R1+RS+RL。5第2章電感耦合方式的射頻前端串聯(lián)諧振回路回路電流

阻抗

相角

6第2章電感耦合方式的射頻前端串聯(lián)諧振回路串聯(lián)回路的諧振條件

7第2章電感耦合方式的射頻前端串聯(lián)諧振回路具有如下特性：（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8第2章電感耦合方式的射頻前端串聯(lián)諧振回路回路的品質(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}，

9第2章電感耦合方式的射頻前端諧振曲線取其模值

10第2章電感耦合方式的射頻前端諧振曲線串聯(lián)諧振回路的諧振曲線

11第2章電感耦合方式的射頻前端通頻帶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

12第2章電感耦合方式的射頻前端電感線圈的交變磁場(chǎng)安培定理指出，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)。13第2章電感耦合方式的射頻前端電感線圈的交變磁場(chǎng)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)。14第2章電感耦合方式的射頻前端電感線圈的交變磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和距離r的關(guān)系r<<a時(shí)r>>a時(shí)15第2章電感耦合方式的射頻前端電感線圈的交變磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和距離r的關(guān)系r>>a時(shí)16第2章電感耦合方式的射頻前端電感線圈的交變磁場(chǎng)頻率小于135kHz和為13.56MHz頻率波長(zhǎng)

（m）r

（m）<135kHz>2222>35313.56MHz22.13.517第2章電感耦合方式的射頻前端2.2應(yīng)答器的天線電路Microchip公司的13.56MHz應(yīng)答器（無(wú)源射頻卡）MCRF355和MCRF360芯片的天線電路18第2章電感耦合方式的射頻前端e5550芯片的天線電路工作頻率為125kHz，電感線圈和電容器為外接。19第2章電感耦合方式的射頻前端并聯(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）分析比較方便。20第2章電感耦合方式的射頻前端并聯(lián)諧振回路整個(gè)回路的有載品質(zhì)因數(shù)21第2章電感耦合方式的射頻前端串并聯(lián)阻抗等效互換22第2章電感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，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。2電感耦合方式的射頻前端應(yīng)答器線圈感應(yīng)電壓的計(jì)算24第2章電感耦合方式的射頻前端應(yīng)答器諧振回路端電壓的計(jì)算應(yīng)答器天線電路的等效電路25第2章電感耦合方式的射頻前端應(yīng)答器諧振回路端電壓的計(jì)算26第2章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

27第2章電感耦合方式的射頻前端整流與濾波采用MOS管的全波整流電路

28第2章電感耦合方式的射頻前端負(fù)載調(diào)制應(yīng)答器向閱讀器的信息傳送時(shí)采用29第2章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30第2章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—耦合回路的等效電路31第2章電感耦合方式的射頻前端電阻負(fù)載調(diào)制開(kāi)關(guān)S用于控制負(fù)載調(diào)制電阻Rmod的接入與否，開(kāi)關(guān)S的通斷由二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)控制。32第2章電感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)用于控制開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，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(kāi)時(shí)）和RL與Rmod的并聯(lián)值RL//Rmod（S閉合時(shí)）。33第2章電感耦合方式的射頻前端電阻負(fù)載調(diào)制次級(jí)回路等效電路中的端電壓

34第2章電感耦合方式的射頻前端電阻負(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(kāi)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。35第2章電感耦合方式的射頻前端電容負(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Rmod36第2章電感耦合方式的射頻前端電容負(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

37第2章電感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38第2章電感耦合方式的射頻前端2.4.1B類功率放大器采用兩個(gè)特性相同的功率管接成推挽電路，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，就可獲得完整的正弦波。39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40第2章電感耦合方式的射頻前端功率傳輸?shù)刃щ娐?/p>

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

41第2章電感耦合方式的射頻前端2.4.2D類功率放大器D類諧振式功率放大器有電壓開(kāi)關(guān)型、電流開(kāi)關(guān)型等電路形式4243第2章電感耦合方式的射頻前端功率放大器效率電流基波幅值

負(fù)載電阻RL上的輸出功率44第