射頻識(shí)別RFID

1、射頻識(shí)別RFID 電感耦合方式的基礎(chǔ)是電感電容(LC)諧振回路和電感線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，它是射頻卡工作的基本原理。（磁藕合） 反向散射耦合方式的理論基礎(chǔ)是電磁波傳播和反射的形成，它用于微波電子標(biāo)簽。（電磁場(chǎng)藕合） 這兩種耦合方式的差異在于所使用的無(wú)線電射頻的頻率不同和作用距離的遠(yuǎn)近，但相同的都是采用無(wú)線電射頻技術(shù)。 實(shí)現(xiàn)射頻能量和信息傳輸?shù)碾娐穼?shí)現(xiàn)射頻能量和信息傳輸?shù)碾娐贩Q為射頻前端電路，簡(jiǎn)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(jí)和次級(jí)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(shí)，回路電抗X=

2、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。 RVIVI 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的電壓可比信號(hào)源電壓大數(shù)十到百倍，這是串聯(lián)諧振時(shí)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(duì)于串聯(lián)諧振回路，在選擇電路器件時(shí)，必須考慮器件的耐壓必須考慮器件的耐壓?jiǎn)栴}。 但這種高電壓對(duì)人并不存在傷害問(wèn)題，因?yàn)槿擞|及后，諧振條件會(huì)被破壞，電流很快就會(huì)下降。 四、串聯(lián)諧振回路能量關(guān)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(guān)系曲線

3、，稱為諧振曲線。 由圖2.3諧振曲線可見(jiàn)，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(diǎn)的兩個(gè)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(qiáng)）。 在RFID技術(shù)中，為保證通信帶寬，在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮Q值的大小。 六、對(duì)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(yīng)答器天線電路一、應(yīng)答器常用芯片及天線電路的連接 當(dāng)Ant.B端通過(guò)控制開(kāi)關(guān)與Vss端短按時(shí)，諧振回路與工作頻率失諧，此時(shí)應(yīng)答器芯片雖然已處于閱讀器的射頻能量場(chǎng)之內(nèi)，但因失諧無(wú)法獲得正常工作所需能量，處于休眠狀態(tài)。

4、當(dāng)Ant.B端開(kāi)路時(shí)，諧振回路諧振在工作頻率(13.56 MHz)上，應(yīng)答器可獲得能量，進(jìn)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(yīng)答器芯片，整個(gè)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(wú)源射頻卡芯片，其天線電路的連接比較簡(jiǎn)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(cè)試(Testl，Test2，Test3)引腳，供測(cè)試時(shí)快速編程和校驗(yàn)，在射頻工作時(shí)不用。 無(wú)源應(yīng)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(shí)，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(duì)無(wú)源應(yīng)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(shí)，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(shí)，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(dāng)并聯(lián)諧振時(shí)，電感、電容支路的電流為信號(hào)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(fù)載后的并聯(lián)諧振回路 2.3 閱讀器和應(yīng)答器之間的電感耦合一、電感線圈的交變磁場(chǎng) 1、直線載流體的磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感

6、應(yīng)強(qiáng)度B 磁場(chǎng)強(qiáng)度 （A/m） 磁感應(yīng)強(qiáng)度 2、環(huán)形短圓柱形線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度 zzHraaNiB0232221102aiH2HBr0環(huán)形短圓柱形線圈的磁場(chǎng)圖 3、矩形線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度2222222102121224rbrarbaabNiB二、應(yīng)答器線圈感應(yīng)電壓的計(jì)算 1、閱讀器線圈和應(yīng)答器線圈之間的耦合像變壓器耦合一樣，初級(jí)線圈（閱讀器線圈）的電流產(chǎn)生磁通，該磁通在次級(jí)線圈（應(yīng)答器線圈）產(chǎn)生感應(yīng)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(jí)是獨(dú)立可分離的，耦合通過(guò)空間電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)。 2、應(yīng)答器線圈上感應(yīng)電壓的大小和互感M大小成正比，互感M是兩個(gè)線圈參數(shù)的函數(shù)，并且和距離的

7、三次方成反比。 3、應(yīng)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(xiàng)重要性能指標(biāo)，也稱為工作距離或讀寫(xiě)距離（讀距離和寫(xiě)距離可能會(huì)不一樣，通常讀距離大于寫(xiě)距離）。 三、應(yīng)答器諧振回路端電壓的計(jì)算 應(yīng)答器的等效電路 圖四、應(yīng)答器直流電源電壓的產(chǎn)生 五、負(fù)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(guān)系 3、電阻負(fù)載調(diào)制電阻負(fù)載調(diào)制時(shí)初、次級(jí)回路的等效電路圖電阻負(fù)載調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)倪^(guò)程圖 4、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(yīng)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(luò)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)狀態(tài)，有電壓開(kāi)關(guān)型、電流開(kāi)關(guān)型等 。 E類（或稱戊類） ：是單功率放大三極管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài) 。一、B類功率放大器 B類放大器采用兩個(gè)特性相同的功率管接成推挽電路，其中一管在正半周導(dǎo)通

9、，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。 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(gè)功能。典型應(yīng)用電路 1、電路工作原理 2、功率傳輸 等效電路 符號(hào)含意 是P點(diǎn)的電壓， 是晶體管 和 的導(dǎo)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(jí)反射電阻， 是次級(jí)反射電抗， 應(yīng)答器天線電路對(duì)125 kHz諧振，因此 ， 和 也諧振于125 kHz，此時(shí)回路自電抗 01fX1L1C 011X1fX1vsR2VT3VT2R1R 1L1fR2VT3VT 應(yīng)答器不在閱讀器的能量場(chǎng)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(duì)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(jià)格可能也會(huì)提高； 第二， 增大，對(duì)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(duì)于采用電池供電的閱讀器就更為不利； 第三，對(duì)于電子設(shè)備，必須滿足嚴(yán)格的電磁兼 容標(biāo)準(zhǔn)，其交變磁場(chǎng)強(qiáng)度不能超出規(guī)定值。因此，電流 的大小必須合理設(shè)計(jì)。1i1i1i1i應(yīng)答器進(jìn)入閱讀器的能量場(chǎng)內(nèi)(M0) , ； 隨著M的增大， 增加， 和 會(huì)下降； 因此，功率放大電路在空載設(shè)計(jì)好后，不會(huì)因應(yīng)答器的進(jìn)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(jiàn)，閱讀器中功率放大

11、器的中介回路在完成能量傳輸時(shí)，其品質(zhì)因數(shù) 應(yīng)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(kāi)關(guān)型電壓開(kāi)關(guān)型、電流開(kāi)關(guān)型電流開(kāi)關(guān)型等電路形式 。 1準(zhǔn)互補(bǔ)電壓開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)上應(yīng)注意下述問(wèn)題： 諧振回路應(yīng)準(zhǔn)確調(diào)諧于激勵(lì)信號(hào)的基波頻率上。若失諧嚴(yán)重，則負(fù)載 上的電流波形會(huì)產(chǎn)生較大失真，對(duì)輸出功率和效率均產(chǎn)生不良影響。同時(shí)，諧波功率的增加會(huì)對(duì)滿足電磁兼容性能的要求帶來(lái)不利因素。 如果失諧呈現(xiàn)大的電感性負(fù)載，那么失諧會(huì)引起晶體管集電極和發(fā)射極間出現(xiàn)高峰電壓，為保護(hù)功率放大管，可在其

12、集電極和發(fā)射極間并接一個(gè)保護(hù)二極管。 負(fù)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(yīng)小，即中介回路的空載品質(zhì)因數(shù)要高。 當(dāng)中介回路空載時(shí)，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(guò)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(wú)負(fù)載的功率開(kāi)銷，可采用功率放大電路平時(shí)休眠以及定時(shí)喚醒或事件喚醒的策略以節(jié)約能耗。 0i1L1R 0i1L1R 2R2R 2電流開(kāi)關(guān)型D類功率放大器 (1)電路結(jié)構(gòu)與工作原理 (2)電壓開(kāi)關(guān)型和電流開(kāi)關(guān)型D類功率放大器的比較 在電壓開(kāi)關(guān)型電路中，兩管是與電源電壓 串聯(lián)； 在電流開(kāi)關(guān)型電路中，兩管是與電源電壓 并聯(lián)；在電壓開(kāi)關(guān)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(guò)負(fù)載的電流是正弦波。 在電流開(kāi)關(guān)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(fù)載兩端電壓是正弦波。在電流開(kāi)關(guān)型電路中，電流是方波，兩管輪流導(dǎo)電是從截止立即轉(zhuǎn)入飽和，或從飽和立即轉(zhuǎn)入截止。 實(shí)際上，電流的這種轉(zhuǎn)換是需要時(shí)間的。當(dāng)頻率低時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間可以忽略不計(jì)，但當(dāng)工作頻率高時(shí)，這一開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間便不容忽視，因而工作頻率上限受限制。 在電壓開(kāi)關(guān)型電路中，兩管集電極電流是正弦波，