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優(yōu)選學(xué)時(shí)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(chǎng)耦合)系統(tǒng)。電感耦合系統(tǒng)是通過空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)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(dá)原理模型,發(fā)射出去的電磁波碰到目標(biāo)后反射,同時(shí)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(yuǎn)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?,F(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(chǎng)安培定理指出,電流流過一個(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)。磁場(chǎng)強(qiáng)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(shí)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(chǎng)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(dòng)勢(shì)叫自感電動(dòng)勢(shì)。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€(gè)線圈上的電流產(chǎn)生磁場(chǎng),并且該磁場(chǎng)通過第二個(gè)線圈時(shí),通過第二個(gè)線圈的總磁通與第一個(gè)線圈上的電流的比值,稱為兩個(gè)線圈的互感?;ジ鞋F(xiàn)象中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),稱為互感電動(dòng)勢(shì)。現(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(gè)線圈傳遞到另一個(gè)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(jī)里的磁性天線.收音機(jī)里的“磁性天線”利用互感現(xiàn)象可以把信號(hào)從一個(gè)線圈傳遞到另一個(gè)線圈。現(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(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。

閱讀器天線設(shè)計(jì)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(hào)的傳輸,使讀寫器信號(hào)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(hào)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(shí),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(shí),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(shí)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(gè)重要物理量,它取決于電路的參數(shù)。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},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(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,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(shí),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(shí),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(shí),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(diǎn),將微弱的信號(hào)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(gè)比輸入信號(hào)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(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)。離線圈中心距離r處P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(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)結(jié)論:從線圈中心到一定距離磁場(chǎng)強(qiáng)度幾乎是不變的,而后急劇下降。現(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(huì)在較遠(yuǎn)距離r處獲得最大場(chǎng)強(qiáng),但r的增大,會(huì)使場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)變小,以致影響應(yīng)答器的能量供應(yīng)?,F(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(shí),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(hào)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(hào)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(shí),采用恒流源(信號(hào)源內(nèi)阻很大)分析比較方便。現(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(shí)際中線圈的電阻很小,所以在諧振時(shí)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(shí),回路電抗X=0,阻抗Z=R為最大值,且為純阻(2)諧振時(shí),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(shí),諧振回路失諧,此時(shí)應(yīng)答器雖處于閱讀器的射頻能量場(chǎng)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(shí),諧振回路諧振在工作頻率(13.56MHz)上,應(yīng)答器可獲得能量,進(jìn)入工作狀態(tài)。在諧振時(shí),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(duì)無源應(yīng)答器的能量獲取是必要的。現(xiàn)在是33頁\一共有50頁\編輯于星期二重點(diǎn)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(gè)時(shí)變磁場(chǎng)通過一個(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。

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(jì)算電子標(biāo)簽感應(yīng)電壓與兩個(gè)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(shí)作為儲(chǔ)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(shí)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(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)控制。

二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)用于控制開關(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。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(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。現(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(shí)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。現(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(bǔ)充知識(shí):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(gè)非門輸出以提高源的帶負(fù)載能力VT1組成射級(jí)跟隨器,其輸出的正弦信號(hào)的正半周使VT2導(dǎo)通,負(fù)半周使VT3導(dǎo)通?,F(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(dá)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(shí),其能量的一部分被目標(biāo)吸收,另一部分以不同的強(qiáng)度散射到各個(gè)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(duì)接收信號(hào)進(jìn)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

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