1、合肥工業大學 計算機與信息學院RFID原理與應用原理與應用第第2版版單承贛 教授2第第2 章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 射頻識別技術在工作頻率13.56 MHz和小于135 kHz時，基于電感耦合方式（能量及信息傳遞以電感耦合方式實現），在更高頻段基于雷達探測目標的反向散射耦合方式（雷達發射電磁波信號碰到目標后攜帶目標信息返回雷達接收機）。 電感耦合方式的基礎是電感電容（LC）諧振回路及電感線圈產生的交變磁場，它是射頻卡工作的基本原理。基于雷達探測目標的反向散射耦合方式的基礎是電磁波傳播和反射的形成，它用于微波電子標簽。 實現射頻能量和信息傳遞的電路稱為射頻前端電路，簡稱

2、為射頻前端。 3第第2 章章 電感耦合方式的射頻前端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，串聯諧振回路具有電路簡單、成本低，激勵可采用低內阻的恒壓源，諧振時可獲得最大的回路電流等特點，被廣泛采用。 4第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 串聯諧振回路R1是電感線圈L損耗的等效電阻，RS是信號源sV的內阻，RL是負載電阻，回路總電阻值R=R1+RS+RL。 5第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 串聯諧振回路1jjsssVVVIZRXRLC回路電流I 22221ZRXRLC阻抗 相角 1arctanarctanLXCRR6第第2章章

3、電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 串聯諧振回路10XLC串聯回路的諧振條件 01LC012fLC001LLCC7第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 串聯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，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第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 串聯諧振回路回路的品質因數 00111LLQRCRRCR 通常，回路的Q值可達數十到近百，諧振時電感線圈和電容器兩端電壓可比信號源電壓大數十到百倍，在選擇電路器件時，必須考慮器件

4、的耐壓問題， 9第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 諧振曲線000000111j()1j()1j ()IRLIRLQCR取其模值 m2220m20001111211IIQQ10第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 諧振曲線串聯諧振回路的諧振曲線 11第第2章章 電感耦合方式的射頻前端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的兩個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 200.7002122BW2222fQQ12第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電感線圈的交變磁場 安培定理指出

5、，電流流過一個導體時，在此導體的周圍會產生一個磁場 。ai2H13第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電感線圈的交變磁場 在電感耦合的RFID系統中，閱讀器天線電路的電感常采用短圓柱形線圈結構 。20 11Z0Z3 2222i N aarBH14第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電感線圈的交變磁場 磁感應強度B和距離r的關系11Z02i NaBra時 211Z00Z32i N arBH15第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電感線圈的交變磁場 磁感應強度B和距離r的關系ra時 211Z00Z32i N arBH16第第2章章

6、電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電感線圈的交變磁場 頻率小于135 kHz和為13.56 MHz頻率波長（m）r（m）222235313.56 MHz22.13.517第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端2.2 應答器的天線電路 Microchip 公司的13.56 MHz應答器（無源射頻卡）MCRF355和MCRF360芯片的天線電路 18第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 e5550芯片的天線電路 工作頻率為125 kHz，電感線圈和電容器為外接。 19第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 并聯諧振回路 串聯諧振回

7、路適用于恒壓源，即信號源內阻很小的情況。 如果信號源的內阻大，應采用并聯諧振回路。 在研究并聯諧振回路時，采用恒流源（信號源內阻很大）分析比較方便。 20第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 并聯諧振回路PPPsL1QQRRRR整個回路的有載品質因數21第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 串并聯阻抗等效互換 22222222112222222222(j)()jjjxRXR XR XZRRXRXRXRX2222122222221/xR XRRRRXRX2222122222221/R XXXRXXR22第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前

8、端2.3 閱讀器和應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時，在其上會產生感應電壓，并在回路中產生電流。 當應答器進入閱讀器產生的交變磁場時，應答器的電感線圈上就會產生感應電壓，當距離足夠近，應答器天線電路所截獲的能量可以供應答器芯片正常工作時，閱讀器和應答器才能進入信息交互階段。 2 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 應答器線圈感應電壓的計算 20 122223 222dddddddd2cosi avNNBSNStttar 22ddddvNtt 2NSB d24第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 應答器諧振回路端電壓的計算 應答

9、器天線電路的等效電路 25第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 應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 aItarB26第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 應答器直流電源電壓的產生 應答器直流電源電壓的產生 27第第2章章 電感耦合方式的射頻前端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第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 負載調制 應答器向閱讀器的信息傳

10、送時采用 29第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 互感耦合回路的等效阻抗關系 12111jZ IM IV1222j0M IZI1121122VIMZZ11222211j MVZIMZZ30第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 互感耦合回路的等效阻抗關系 耦合回路的等效電路31第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電阻負載調制 開關S用于控制負載調制電阻Rmod的接入與否，開關S的通斷由二進制數據編碼信號控制。 32第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電阻負載調制 二進制數據編碼信號用于控制開關S。當二進制數據編

11、碼信號為“1”時，設開關S閉合，則此時應答器負載電阻為RL和Rmod并聯；而二進制數據編碼信號為“0”時，開關S斷開，應答器負載電阻為RL。 應答器的負載電阻值有兩個對應值，即RL（S斷開時）和RL與Rmod的并聯值RL/Rmod（S閉合時）。 33第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電阻負載調制次級回路等效電路中的端電壓 2CD2f222Lm11jjVVRRLCR34第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電阻負載調制數據信息傳遞的原理 （a）是應答器上控制開關S的二進制數據編碼信號， （b）是應答器電感線圈上的電壓波形， （c）是閱讀器電感線圈上的電

12、壓波形， （d）是對閱讀器電感線圈上的電壓解調后的波形。 35第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電容負載調制 電容負載調制是用附加的電容器Cmod代替調制電阻Rmod 36第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電容負載調制電容負載調制時初、次級回路的等效電路 37第第2章章 電感耦合方式的射頻前端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系統的閱讀器中，用于向應答器提供能量 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系統的閱讀器中，常采用B，D和E類放大器 3

13、8第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端2.4.1 B類功率放大器 采用兩個特性相同的功率管接成推挽電路，它使一管在正半周導通，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。 39用于125 kHz閱讀器的B類放大器 L3，C4和C5組成濾波網絡，該帶通濾波器的中心頻率 03124534511125 kHz1800 68002 1 1010218006800fC CLCC40第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 功率傳輸 等效電路 從阻抗匹配的條件下負載可獲得最大功率考慮，則應滿足 2f12s122MRRRRR41第第2

14、章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端2.4.2 D類功率放大器 D類諧振式功率放大器有電壓開關型、電流開關型等電路形式 4243第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 功率放大器效率 電流基波幅值 CCCESCESomL()2VVVIR負載電阻RL上的輸出功率 2CCCES20omL2L2122VVPIRR44第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 在L1C1諧振回路的設計上應注意下述問題 L1C1諧振回路應準確調諧于激勵信號的基波頻率上 為保護功率放大管，可在其集電極C和發射極E間并接一個保護二極管 諧振回路中的負載RL在電感耦合方式的RFI

15、D系統中很容易理解為應答器反射電阻Rf1和電感線圈損耗電阻R1之和 45第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電流開關型D類功率放大器 47第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 電壓開關型Vs電流開關型 在電壓開關型電路中，兩管是與電源電壓VCC串聯的。電流開關型電路中，兩管與電源電壓VCC并聯 電壓開關型電路中，兩管集電極電流是正弦半波，集電極與發射極間電壓為方波，負載流過的電流是正弦波。電流開關型電路中，兩管集電極電流是方波，集電極和發射極間電壓是正弦半波，負載兩端電壓是正弦波。 在電流開關型電路中，電流是方波，電壓開關型電路中，兩管集電極電流是正弦

16、半波48第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端2.4.3 傳輸線變壓器和功率合成器 具有兩種方式：一種按傳輸線方式來工作，另一種是按照變壓器方式工作。 49第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 傳輸線變壓器耦合功率放大器 傳輸線變壓器等效電路50第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 （a）倒相 RL RS v 1 3 2 4 （b） 平衡 不平衡轉換 RS RS v1 v2 1 3 2 4 RL RS v 1 3 2 4 RL/2 RL/2 （c）不平衡 平衡轉換 1:1傳輸線變壓器應用 51第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方

17、式的射頻前端 1:4傳輸線變壓器 信號端呈現的輸入阻抗 L1 21244ivvRRii傳輸線的特性阻抗 CL1 2122vvZRii52第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 反相功率合成器v1和v2為晶體管VT1和VT2的集電極電壓，很顯然在輸入開關信號激勵下，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。 53第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端2.4.4 E類功率放大器 單管工作于開關狀態，諧波成分主要為二次諧波。它選取適當的負載網絡參數，以使它的瞬態響應最佳。 當開關導通（或斷開）的瞬間，只有當器件的電壓（或電

18、流）將為零后，才能導通（或斷開）。54第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 E類功率放大器基本電路E類功率放大器基本電路 55第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 E類功率放大器等效電路等效電路圖 5657第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端例：設計例：設計一個E類功率放大器，工作頻率為1 MHz，輸出到負載RL=50 上的功率Po=5 W，電源電壓VCC=24 V。 58第第2章章 電感耦合方式的射頻前端電感耦合方式的射頻前端 E類功率放大器諧波抑制比 諧波次數nin / i1諧波次數nin / i1Q = 2Q3Q = 2Q311.0001.00066.5310-30.01/Q22.710-10.51/Q73.7610-30.0