Transcript 2 电感耦合方式的射频前端

《RFID技术基础》
单承赣 教授
合肥工业大学 计算机与信息学院
2 电感耦合方式的射频前端
• 射频识别技术在工作频率13.56 MHz和小于135 kHz时，
基于电感耦合方式（能量及信息传递以电感耦合方式
实现），在更高频段基于雷达探测目标的反向散射耦
合方式（雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信
息返回雷达接收机）。
• 电感耦合方式的基础是电感电容（LC）谐振回路及电
感线圈产生的交变磁场，它是射频卡工作的基本原理。
基于雷达探测目标的反向散射耦合方式的基础是电磁
波传播和反射的形成，它用于微波电子标签。
• 实现射频能量和信息传递的电路称为射频前端电路，
简称为射频前端。
2
2 电感耦合方式的射频前端
• 阅读器天线电路
L
L
C
C
（a）串联谐振回路
（b）并联谐振回路
次级线圈
初级
线圈
C2
C1
（c）具有初级和次级线圈的耦合电路
在阅读器中，串联谐振回路具
有电路简单、成本低，激励可
采用低内阻的恒压源，谐振时
可获得最大的回路电流等特点，
被广泛采用。
3
2 电感耦合方式的射频前端
• 串联谐振回路
L
R1是电感线圈L损耗的等
效电阻，RS是信号源 Vs
的内阻，RL是负载电阻，
回路总电阻值R=R1+RS
+RL。
R1
C
RS
Vs
I
RL
4
2 电感耦合方式的射频前端
• 串联谐振回路
L
回路电流 I
V
Vs
I s 

Z R  jX
阻抗
R1
C
RS
Vs
I
Vs
RL
1 

R  j  L 


C


1 

Z  R2  X 2  R2    L 
C 

2
相角   arctan
X
 arctan
R
L 
1
C
R
5
2 电感耦合方式的射频前端
• 串联谐振回路
L
R1
串联回路的谐振条件
C
RS
1
X  L 
0
C
0 
1
LC
1
f0 
2π LC
Vs
I
RL
1
L
0 L 


0C
C
6
2 电感耦合方式的射频前端
• 串联谐振回路具有如下特
性：
（1）谐振时，回路电抗X=
0，阻抗Z=R为最小值，
且为纯阻
（2）谐振时，回路电流最
大，即，且与同相
（3）电感与电容两端电压
的模值相等，且等于外加
电压的Q倍
L
R1
C
RS
Vs
I
RL
7
2 电感耦合方式的射频前端
• 串联谐振回路
L
回路的品质因数
Q
0 L
R
R1
C
RS

1
1 L 1

 
0CR R C R
Vs
I
RL
通常，回路的Q值可达数十到近百，谐振时电感线圈和电
容器两端电压可比信号源电压大数十到百倍，在选择电路器件
时，必须考虑器件的耐压问题，
8
2 电感耦合方式的射频前端
• 谐振曲线
I
R
1
1



1

L


 
I 0 R  j( L 
) 1  j 0 (  0 ) 1  jQ(  0 )
C
R 0 
0 
取其模值
Im

I 0m
1
  0 
1 Q   
 0  
2
2

1
 2 
1  Q


0 

2

1
1  2
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2 电感耦合方式的射频前端
• 谐振曲线
Im/Iom
1
Q1>Q2
Q1
Q2
ω0
ω
串联谐振回路的谐振曲线
10
2 电感耦合方式的射频前端
• 通频带
Im/Iom
谐振回路的通频带通常用半
功率点的两个边界频率之间
的间隔表示，半功率的电流
比Im/I0m为0.707
1
0.707
0
通频带
ω
ω1 ω0 ω2
BW 
2  1
2π
2 2  0  20.7
0
f0




2π
2π
2πQ Q
11
2 电感耦合方式的射频前端
• 电感线圈的交变磁场
– 安培定理指出，电流流过一个导体时，在此导
体的周围会产生一个磁场 。
a
H
i
H
2πa
i
12
2 电感耦合方式的射频前端
• 电感线圈的交变磁场
– 在电感耦合的RFID系统中，阅读器天线电路的
电感常采用短圆柱形线圈结构 。
X
i1
线圈
BZ 
a
O
r
Y
v1=V1msin(ωt)
0i1 N1a 2
2  a2  r

2 32
 0 H Z
P
BZ
Z
13
2 电感耦合方式的射频前端
• 电感线圈的交变磁场
– 磁感应强度B和距离r的关系
r<<a时
X
BZ   0
i1
线圈
i1 N1
2a
r>>a时
a
O
r
Y
v1=V1msin(ωt)
i1 N1a 2
BZ  0
 0 H Z
3
2r
P
BZ
Z
14
2 电感耦合方式的射频前端
• 应答器的天线电路
– Microchip 公司的13.56 MHz应答器（无源射频
卡）MCRF355和MCRF360芯片的天线电路
Ant.A
L1
Ant.A
C1
MCRF355
C
MCRF355
Ant.A
MCRF360
L1
L
Ant.B
L2
Ant.B
C2
VSS
L1> L2
（a）短接电感
C=100pF
Ant.B
L2
VSS
C1>C2
（b）短接电容
VSS
L1>L2
（c）短接电感
（具有内部谐振电容）
15
2 电感耦合方式的射频前端
• e5550芯片的天线电路
– 工作频率为125 kHz，电感线圈和电容器为外接。
天线 1
L
Test
C
1.47 mm
天线 2
Vdd VSS
2.37 mm
16
2 电感耦合方式的射频前端
• 并联谐振回路
– 串联谐振回路适用于恒压源，即信号源内阻很小的情况。
– 如果信号源的内阻大，应采用并联谐振回路。
– 在研究并联谐振回路时，采用恒流源（信号源内阻很大）
分析比较方便。
IS 
C
ICP
ILP
L
IS 
L
C
RP
R1
（a）损耗电阻和电感串联
（b）损耗电阻和回路并联
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2 电感耦合方式的射频前端
• 串并联阻抗等效互换
X1
Rx
A
A
X2
R1
B
R2
B
（a）串联电路
（b）并联电路
R2 ( jX 2 )
R2 X 22
R22 X 2
Z  ( R1  Rx )  jX1 
 2
j 2
2
R2  jX 2 R2  X 2
R2  X 22
R2 X 22
R2
R1  Rx  2

R2  X 22 1   R2 / X 2 2
R22 X 2
X2
X1  2

R2  X 22 1   X 2 / R2 2
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2 电感耦合方式的射频前端
• 阅读器和应答器之间的电感耦合
– 法拉第定理指出，一个时变磁场通过一个闭合导体回路
时，在其上会产生感应电压，并在回路中产生电流。
– 当应答器进入阅读器产生的交变磁场时，应答器的电感
线圈上就会产生感应电压，
B
当距离足够近，应答器天线
电路所截获的能量可以供
应答器
C
线圈
应答器芯片正常工作时，
v =V sin(ωt)
阅读器和应答器才能进入
信息交互阶段。
2
应
答
器
2m
i1=I1msin(ωt)
阅读器
谐振
回路
阅读器
线圈
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2 电感耦合方式的射频前端
• 应答器线圈感应电压的计算
d
d
v2  
  N2
dt
dt
d
d
v2   N 2
  N2
dt
dt
  N 2


   B  dS
d 
0i1a 2
 B  dS   N2 dt  2 a2  r 2



 dS 
32


2 电感耦合方式的射频前端
• 应答器谐振回路端电压的计算
– 应答器天线电路的等效电路
R2
R2
L2
C2
v
2
RL
L2
i2
C2
v2
RL
v2
v2
应答器芯片
21
2 电感耦合方式的射频前端
• 应答器谐振回路端电压的计算
v2  Q 
0 N1 N 2 a 2 S dii
2  a2  r
v2  Q N 2 S
Bz 
0 N1a 2
2a  r
2
0 N1a 2
2a  r
2

2 32

2 3/ 2

2 3/ 2

dt
I1m cos t   2πfN 2 SQBz
I1m cos t 
22
2 电感耦合方式的射频前端
• 应答器直流电源电压的产生
R2
L2
C2
v 2
2
整
流
器
CP
稳
压
电
路
v2
VCC
芯
片
其
他
电
路
应答器直流电源电压的产生
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2 电感耦合方式的射频前端
• 整流与滤波
采用MOS管的全波整流电路
L2
C2
CP
直流电压
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2 电感耦合方式的射频前端
• 负载调制
– 应答器向阅读器的信息传送时采用
R1
RS
R2
M
R5
L1
V1
L2
C2
RL
V1
R5
C1
R1
R2
M
I2
I1
L1
C1
RL
L2
C  C
2
2
R5
（a）耦合电路
（b）次级经过等效变换后的耦合电路
25
2 电感耦合方式的射频前端
• 互感耦合回路的等效阻抗关系
V1
I1 
•
•
•
Z11
Z11 I 1  j M I 2  V 1
•
•
 j M I 1  Z 22 I 2  0
I2 
 M 

2
Z 22
 j MV
Z11
Z 22
 M 

2
Z11
26
2 电感耦合方式的射频前端
• 电阻负载调制
– 开关S用于控制负载调制电阻Rmod的接入与否，
开关S的通断由二进制数据编码信号控制。
R2
M
L1
L2
Rmod
C2
RL
S
C1
27
2 电感耦合方式的射频前端
• 电阻负载调制
– 二进制数据编码信号用于控制开关S。当二进制
数据编码信号为“1”时，设开关S闭合，则此时
应答器负载电阻为RL和Rmod并联；而二进制数
据编码信号为“0”时，开关S断开，应答器负载
电阻为RL。
– 应答器的负载电阻值有两个对应值，即RL（S断
开时）和RL与Rmod的并联值RL//Rmod（S闭合
时）。
28
2 电感耦合方式的射频前端
• 电阻负载调制
A
R1
R2
Rf1
Rf2
Xf2
C
Xf1
Rs
S
L2
I1
V1
C1
L1
B
RL
Rmod
V2
D
（a）初级回路等效电路
次级回路等效电路中的端电压
C2
L2
（b）次级回路等效电路
V2
VCD＝

1 
1   R2  Rf2   j L2   jC2 

RLm 

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2 电感耦合方式的射频前端
• 电阻负载调制数据信息传递的原理
（a）二进制数据
编码信号
（b）应答器线圈
两端电压
（c）阅读器线圈
两端电压
– （a）是应答器上控制开关S
的二进制数据编码信号，
– （b）是应答器电感线圈上的
电压波形，
– （c）是阅读器电感线圈上的
电压波形，
– （d）是对阅读器电感线圈上
的电压解调后的波形。
（d）阅读器线圈
两端电压解调
30
2 电感耦合方式的射频前端
• 电容负载调制
Cmod
R2
M
X1
L1
C1
L2
RX C2
RL
S
L
电容负载调制是用附加的电容器Cmod代替调制电阻Rmod
31
2 电感耦合方式的射频前端
• 电容负载调制
A
R1
Rf1
R2
Rf2
Xf2
C
Xf1
Rs
S
L2
I1
V1
C1
B
（a）初级回路等效电路
L1
C2
L2
V2
RL
Cmod
D
（b）次级回路等效电路
电容负载调制时初、次级回路的等效电路
32
2 电感耦合方式的射频前端
• 功率放大电路
– 功率放大电路位于RFID系统的阅读器中，用于
向应答器提供能量
– 采用谐振功率放大器
– 分为A类（或称甲类）、B类（或称乙类）、C
类（或称丙类）三类工作状况
– 在电感耦合RFID系统的阅读器中，常采用B，D
和E类放大器
33
2 电感耦合方式的射频前端
• B类功率放大器
– 采用两个特性相同的功率管接成推挽电路，它
使一管在正半周导通，另一管在负半周导通，
而后在负载上将它们的集电极电流波形合成，
就可获得完整的正弦波。
34
9V
C3
10μF
R3
470Ω
VT2
2N2222
74HC04
VD1
1N4148
1
R2
10Ω
R4
VD2
22kΩ 1N4148
R7
82Ω
1
应答器
P
R 2
10Ω
1
1.62mH
L1
L2
C2
RL
L3
1mH
C4
1800pF
125kHz
方波
C5
6800pF
VT3
2N2907
R5
A
100Ω
R6
12kΩ
VT1
2N2907
C
C1
1000pF
200V
至接收
通道
用于125 kH
z阅读器的B
类放大器
L3，C4和C5组成滤波网络，该带通滤波器的中心频率
1
f0 
2π L3
C4C5
C4  C5

1
 125  kHz 
1800  6800
2π 1103 
1012
1800  6800
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2 电感耦合方式的射频前端
• 功率传输
Rf1
Xf1
R1
R2
M
Rs
从阻抗匹配的条件下负载
可获得最大功率考虑，则
应满足
L1
i1
v1
C1
Rf1 
 M 
R22
2
  R2  Rs   R1
等效电路
36
2 电感耦合方式的射频前端
• D类功率放大器
– D类谐振式功率放大器有电压开关型、电流开关
型等电路形式
VCC
VCC
i1
Rb
C2
VT1
TR1
S1
激
励
源
vS
P
Rb
C1
C2
L1
P
i2
C1
i0
VT2
RL
L1
S2
RL
（a）准互补电压开关型 D 类功率放大器
（b）等效电路
37
VCCVCES
（b）P 点电压
VCES
0
t
i1
（c）晶体管 VT1
集电极电流 i1
0
vS
t
i2
（d）晶体管 VT2
（a）激励电压
0
t
集电极电流 i2
0
vP
t
i0
VCCVCES
（b）P 点电压
0
VCES
t
（e）负载电阻
RL 上的电流 i0
i1
t
0
（c）晶体管 VT1
集电极电流 i1
0
t
i2
（d）晶体管 VT2
集电极电流 i2
0
i0
t
38
2 电感耦合方式的射频前端
• 功率放大器效率
电流基波幅值
I om
2 (VCC  VCES )  VCES

π
RL
负载电阻RL上的输出功率
1 2
2 VCC  2VCES 
P0  I om RL  2
2
π
RL
2
39
2 电感耦合方式的射频前端
• 在L1C1谐振回路的设计上应注意下述问题
– L1C1谐振回路应准确调谐于激励信号的基波频
率上
– 为保护功率放大管，可在其集电极C和发射极E
间并接一个保护二极管
– 谐振回路中的负载RL在电感耦合方式的RFID系
统中很容易理解为应答器反射电阻Rf1和电感线
圈损耗电阻R1之和
40
2 电感耦合方式的射频前端
• 电流开关型D类功率放大器
i1
非门组
B
激励源
vs
A
Rb
TR2
VT1
1
Cb
VD1
C1
VD2
1
C
L1
L2
RL v2
非门组
VD3
VD4
VT2
Cb
Rb
i2
A′
L4
VCC
41
0
t
vA
(b)VT1 集电极
VCES
电压 vA
0
t
vA ′
(c)VT2 集电极
电压 v A
VCES
0
t
vAA′
vs
5V
(d)电感线圈 L1
(a)激励电压
两端电压 vAA 
0
0
t
VCES
t
vA
(b)VT1 集电极
VCES
电压 vA
v2
0
t
(e)负载电阻 RL
vA ′
两端电压 v2
(c)VT2 集电极
电压 v A
0
VCES
0
t
vAA′
(d)电感线圈 L1
两端电压 vAA 
0
VCES
t
t
2 电感耦合方式的射频前端
• 电压开关型Vs电流开关型
– 在电压开关型电路中，两管是与电源电压VCC串联的。
电流开关型电路中，两管与电源电压VCC并联
– 电压开关型电路中，两管集电极电流是正弦半波，集电
极与发射极间电压为方波，负载流过的电流是正弦波。
电流开关型电路中，两管集电极电流是方波，集电极和
发射极间电压是正弦半波，负载两端电压是正弦波。
– 在电流开关型电路中，电流是方波，电压开关型电路中，
两管集电极电流是正弦半波
43
2 电感耦合方式的射频前端
• 传输线变压器耦合功率放大器
2
4
1
2
C1
L1
VT1
TR3
TR2
1
3
3
RL
4
C3
VT2
C2
VCC
具有两种方式：一种按传输线方式来工作，
另一种是按照变压器方式工作。
44
2 电感耦合方式的射频前端
RS
RS
1
v1
2
RL
v
3
4
1
2
3
4
RL
v2
RS
（a）倒相
（b）平衡 － 不平衡转换
RS
v
1
2
3
4
RL/2
RL/2
（c）不平衡 － 平衡转换
1:1传输线变压器应用
45
2 电感耦合方式的射频前端
• 1:4传输线变压器
2i
i
1
v
i
2
Ri
v
3
RL
2v
4
i
v 1 2v 1
   RL
2i 4 i
4
信号端呈现的输入阻抗
Ri 
传输线的特性阻抗
ZC 
v 1 2v 1
   RL
i 2 i
2
46
2 电感耦合方式的射频前端
D
i1
A
2 TR2 4
id
v1
1
3
3
D′
C2
v2
TR3
2
C1
L1
vd
i
iC2
B
1
i
4
RL
C3
id
i2
v1和v2为晶体管VT1和VT2的集电极电压，很显然在输入开关信
号激励下，两管集电极电压为方波，且电压反相。两管集电极
电流为正弦半波，各电流的方向如箭头所指。
47
2 电感耦合方式的射频前端
• E类功率放大器
– 单管工作于开关状态，谐波成分主要为二次谐
波。它选取适当的负载网络参数，以使它的瞬
态响应最佳。
– 当开关导通（或断开）的瞬间，只有当器件的
电压（或电流）将为零后，才能导通（或断
开）。
48
2 电感耦合方式的射频前端
• E类功率放大器
VCC
L2
C1
L1
io
VT1
C2
RL
E类功率放大器基本电路
49
2 电感耦合方式的射频前端
• E类功率放大器
VCC
ICC
L1C1 的等效
L2
C1′
L′1
iC2
iS
S
剩余
电感或
电容
io
RL vo
C2′
等效电路图
50
开关 S
O
断
通
t
vc
O
t
is
O
t
vo
O
t
51
2 电感耦合方式的射频前端
设计一个E类功率放大器，工作频率为1 MHz，
输出到负载RL=50 Ω上的功率Po=5 W，电源电压
VCC=24 V。
24V
420μH
2.2~34pF
L2
L1
83μH
T1
VD1
激励
VD2
VD4
330pF
C2
VD3
510pF
VDw
C1
2.2~34pF
RL
50Ω
0.01μF
52
2 电感耦合方式的射频前端
• 电磁兼容
– 电子产品的电磁兼容性（EMC）包含两方面：
一是电磁干扰（EMI），二是抗电磁干扰的能
力（EMS）。
• 在13.56 MHz频率，FCC的15.225节的规定为：
– 载波频率范围
13.56 MHz±7 kHz；
– 基波频率的场强 10 mV/m，测量距离为30 m；
– 谐波功率
基波功率的-50.45 dB
53
2 电感耦合方式的射频前端
VCC
C4
阅读器
L2
L3
应答器
C1
0.47μH
T1
C2
C3
150pF
L1
激励
具有EMC滤波电路的13.56 MHz阅读器的E类功率放大器电路
54
2 电感耦合方式的射频前端
• 电感线圈的设计
L

i
N
• 经验计算式
薄长方导体的电感量
单层螺管形线圈
2
0
i
 N L0
2
  2l 
a b
L=0.002l ln 
 μH 
  0.50049 

3l 
  ab 
L=
 aN 
2
22.9l  25.4a
 μH 
55
2 电感耦合方式的射频前端
l
a
l
b
a
（a）薄长方体
（b）螺管形
N 匝线圈
N 匝线圈
b
b
c
a
a
a
a
线圈中心
b
h
（a）环形多匝
（b）方形多匝
56
2 电感耦合方式的射频前端
• 应答器（射频卡）常用的电感线圈的结构和外
形
2a
N 匝线圈
2a
b
d=2a
2a
N匝
C
C
C
57