4RFID射頻前端RFID原理與實(shí)踐開發(fā)章節(jié)內(nèi)容電感耦合式讀寫器的射頻前端電感耦合式電子標(biāo)簽的射頻前端電感耦合微波RFID射頻前端射頻前端實(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。RFID射頻前端包括發(fā)射通路和接收通路，是讀寫器和電子標(biāo)簽的核心組成部分。RFID讀寫器的射頻前端驅(qū)動(dòng)天線用于產(chǎn)生磁場(chǎng)，并且通過該磁場(chǎng)與電子標(biāo)簽交換數(shù)據(jù)信息?；陔姼旭詈戏绞降淖x寫器還通過磁場(chǎng)向電子標(biāo)簽傳遞能量。RFID電子標(biāo)簽的射頻前端通過天線接收讀寫器發(fā)射的信息和能量，并將自身內(nèi)部信息反饋給讀寫器。4.1電感耦合式讀寫器的射頻前端為產(chǎn)生足夠大的磁場(chǎng)強(qiáng)度，給電子標(biāo)簽提供足夠大的電源，期望讀寫器線圈上的電流最大。因此，讀寫器天線的電路多選用串聯(lián)諧振電路。4.1.1串聯(lián)諧振電路原理

等效阻抗Z的幅值諧振條件諧振頻率諧振頻率

4.1.1串聯(lián)諧振電路原理諧振特性（1）諧振時(shí)，回路電抗X=0，阻抗Z最小，為純電阻。（2）諧振時(shí)，回路電流最大。（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。4.1.1串聯(lián)諧振電路原理

諧振時(shí)，電感和電容兩端的電壓可大信號(hào)源電壓的數(shù)十到數(shù)百倍，因此選擇器件時(shí)要考慮耐壓?jiǎn)栴}。這種高壓對(duì)人不存在傷害，一旦接入人體，諧振條件即被破壞。諧振特性（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。4.1.1串聯(lián)諧振電路原理能量關(guān)系

4.1.1串聯(lián)諧振電路原理諧振曲線回路電流與諧振電流比取其模值其中4.1.1串聯(lián)諧振電路原理諧振曲線Q值越高，諧振曲線越尖銳，回路的選擇性越好。4.1.1串聯(lián)諧振電路原理通頻帶4.1.1串聯(lián)諧振電路原理對(duì)Q值的理解(1)線圈品質(zhì)因素(2)有載品質(zhì)因素4.1.1串聯(lián)諧振電路原理Q值變化對(duì)讀寫器性能的影響Q值越大，讀寫器對(duì)特定頻率的電子標(biāo)簽讀寫距離較遠(yuǎn)，但是如果電子標(biāo)簽的諧振頻率與讀寫器的諧振頻率有偏差時(shí)，讀寫器性能將急劇下降；Q值較小，則讀寫器的讀寫距離可能較短，但適應(yīng)性強(qiáng)實(shí)際讀寫器天線Q值需要在適應(yīng)性和選擇性之間平衡考慮。4.1.2電感線圈的交變磁場(chǎng)（1）磁場(chǎng)強(qiáng)度H（2）磁感應(yīng)強(qiáng)度（3）磁通量Φ4.1.2電感線圈的交變磁場(chǎng)i1為線圈電流，N1為線圈匝數(shù)，a為線圈半徑，r為離線圈中心的距離，μ0為真空磁導(dǎo)率。環(huán)形短圓柱形線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度

4.1.2電感線圈的交變磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度與距離的關(guān)系

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，其衰減大約為60dB/10倍距離。4.1.2電感線圈的交變磁場(chǎng)最佳線圈半徑

令dBz/da=0雖然增加線圈半徑a會(huì)在較遠(yuǎn)距離r處獲得最大場(chǎng)強(qiáng)，但由于距離r的增大，會(huì)使場(chǎng)強(qiáng)值相對(duì)變小，以致影響電子標(biāo)簽?zāi)芰抗┙o4.1.2電感線圈的交變磁場(chǎng)矩形線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度

4.2電感耦合式電子標(biāo)簽的射頻前端電子標(biāo)簽的射頻前端多采用并聯(lián)諧振回路。諧振時(shí)電感和電容支路中電流最大，因而并聯(lián)諧振回路的兩端可以獲得最大電壓，有助于無源電子標(biāo)簽的能量獲取。

4.2并聯(lián)諧振電路4.2電感耦合式電子標(biāo)簽的射頻前端并聯(lián)諧振條件角頻率諧振頻率4.2并聯(lián)諧振特性

4.2諧振曲線和通頻帶諧振曲線4.2加入負(fù)載后的并聯(lián)諧振電路

4.3電感耦合當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)時(shí)，電子標(biāo)簽的電感線圈上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。4.3.1電子標(biāo)簽線圈感應(yīng)電壓時(shí)4.3.2電子標(biāo)簽諧振回路端電壓

4.3.2電子標(biāo)簽諧振回路端電壓由于有4.3.3電子標(biāo)簽直流電源電壓獲取

電子標(biāo)簽通過與讀寫器電感耦合，產(chǎn)生交變電壓，該交變電壓通過整流、濾波和穩(wěn)壓后，給電子標(biāo)簽的芯片提供所需的直流電壓。4.3.3電子標(biāo)簽直流電源電壓獲取電子標(biāo)簽天線電路獲得的交流電壓經(jīng)整流電路轉(zhuǎn)換為單向脈動(dòng)性直流電壓（一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓）。電源電路中的整流電路主要有半波整流電路、全波整流電路和橋式整流三種。4.3.3電子標(biāo)簽直流電源電壓獲取整流電路（a）單向半波整流電路及波形（b）單向全波整流電路及波形（c）單向橋式整流電路及波形4.3.3電子標(biāo)簽直流電源電壓獲取濾波電容4.3.4負(fù)載調(diào)制在電感耦合的RFID系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽向讀寫器傳送數(shù)據(jù)信息時(shí)采用負(fù)載調(diào)制技術(shù)。負(fù)載調(diào)制有電阻負(fù)載調(diào)制和電容負(fù)載調(diào)制兩種方法。耦合模型4.3.4電阻負(fù)載調(diào)制開關(guān)S用于控制負(fù)載調(diào)制電阻的接入與否，開關(guān)S的通斷由二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)控制。當(dāng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)為1時(shí)，開關(guān)S閉合；為0時(shí)，開關(guān)S斷開。4.3.4電阻負(fù)載調(diào)制（a）初級(jí)回路等效電路

（b）次級(jí)回路等效電路4.3.4電阻負(fù)載調(diào)制設(shè)初級(jí)回路處于諧振狀態(tài)，則其反射電抗Xf2=0，從而有次級(jí)回路由于Rmod的接入，負(fù)載加重，Q值降低，導(dǎo)致諧振回路兩端電壓下降。4.3.4電阻負(fù)載調(diào)制

4.3.4電阻負(fù)載調(diào)制4.3.4電阻負(fù)載調(diào)制定性分析：（1）次級(jí)回路由于Rmod的接入，負(fù)載加重，Q值降低，導(dǎo)致諧振回路兩端電壓下降。（2）電子標(biāo)簽諧振回路兩端電壓會(huì)通過電子標(biāo)簽線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)H2，與讀寫器線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，從而會(huì)在一定程度上削弱讀寫器線圈兩端電壓。VCD越小，H2越弱，VAB越大。4.3.4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。4.3.4電容負(fù)載調(diào)制電容負(fù)載調(diào)制與電阻負(fù)載調(diào)制的不同之處在于：Rmod的接入不改變電子標(biāo)簽回路的諧振頻率；而Cmod接入后，由于回路等效電容變大，電子標(biāo)簽回路失諧，從而導(dǎo)致諧振回路兩端電壓下降。由于Zf1上升，所以電感線圈L1兩端的電壓上升，但此時(shí)不僅有幅度的變化，也有相位的變化。該相位調(diào)制只要能保持在很小的范圍內(nèi)，就不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的正確傳輸產(chǎn)生影響。4.3.4電容負(fù)載調(diào)制次級(jí)回路失諧的影響①次級(jí)回路諧振頻率高于初級(jí)回路諧振頻率。此時(shí)Cmod的加入會(huì)使初級(jí)和次級(jí)回路的諧振頻率更接近。②次級(jí)回路諧振頻率低于初級(jí)回路諧振頻率。此時(shí)Cmod的加入會(huì)使初級(jí)和次級(jí)回路的諧振頻率偏差加大。因此在采用電容負(fù)載調(diào)制時(shí)，電子標(biāo)簽的天線電路諧振頻率不應(yīng)低于讀寫器天線電路的諧振頻率。4.4微波RFID射頻前端4.4微波RFID射頻前端發(fā)射信號(hào)時(shí)，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將要發(fā)射的數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬基帶信號(hào)。模擬基帶信號(hào)再通過混頻器與本地振蕩器產(chǎn)生的本振信號(hào)進(jìn)行上混頻，產(chǎn)生頻率較高的射頻信號(hào)，之后再通過放大器放大，再進(jìn)行一個(gè)帶通濾波，去除干擾信號(hào)，最后通過環(huán)形器（或雙工器）由天線發(fā)射出去。接收信號(hào)時(shí)，天線接收到的射頻信號(hào)經(jīng)過環(huán)形器（或雙工器）進(jìn)入接收通道，通過射頻帶通濾波器濾波，并通過放大器放大，然后通過混頻器與本地振蕩器產(chǎn)生的本振信號(hào)進(jìn)行下混頻，產(chǎn)生頻率較低的信號(hào)（如需要，可進(jìn)行二次下混頻操作），再通過模/數(shù)轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送給數(shù)字電路進(jìn)行進(jìn)一步處理。4.4微波RFID射頻前端背向散射式RFID系統(tǒng)由于標(biāo)簽本身不產(chǎn)生電磁波，因此RFID系統(tǒng)的發(fā)射頻率和接收頻率完全相同。同時(shí)，背向散射式RFID系統(tǒng)的工作模式是全雙工模式，當(dāng)讀寫器的接收電路準(zhǔn)備接收標(biāo)簽反射的微弱信號(hào)時(shí)，發(fā)射電路也會(huì)同時(shí)提供一個(gè)大功率的載波信號(hào)給標(biāo)簽。因此，在RFID讀寫器天線上始終存在一個(gè)強(qiáng)載波信號(hào)和一個(gè)弱標(biāo)簽信號(hào)，兩者頻率完全相同。為了將讀寫器發(fā)射的強(qiáng)載波信號(hào)和來自標(biāo)簽的弱發(fā)射信號(hào)分開，一般采用雙工器或者環(huán)形器來實(shí)現(xiàn)。4.4微波RFID射頻前端——振蕩器振蕩器是射頻系統(tǒng)中最基本的部件之一，它可以將直流功率轉(zhuǎn)換為射頻功率，在特定的頻率建立起穩(wěn)定的正弦振蕩，從而成為本地振蕩信號(hào)源。為滿足微波射頻系統(tǒng)對(duì)射頻載波信號(hào)高頻率要求，可使用工作于負(fù)阻狀態(tài)下的二極管和晶體管，并利用腔體、傳輸線或介質(zhì)諧振器來構(gòu)成振蕩器。用此方法構(gòu)成的振蕩器可產(chǎn)生高達(dá)100GHz的基頻振蕩。4.4微波RFID射頻前端——混頻器混頻器是一個(gè)三端口器件。其中，2個(gè)端口輸入，一個(gè)端口輸出。混頻器可以將2個(gè)不同頻率的輸入信號(hào)變?yōu)橐幌盗胁煌l率的輸出信號(hào)，輸出頻率分別為2個(gè)輸入頻率的“和頻”、“差頻”及諧波。（a）上變頻

（b）下變頻4.4微波RFID射頻前端——放大器在RFID系統(tǒng)中，發(fā)射通道上存在功率放大器，在接收通道上有低噪聲放大器，它們有以下基本功能。（1）通過隔離振蕩器和天線，減小接近效應(yīng)。（2）補(bǔ)償信號(hào)經(jīng)過寄生相應(yīng)濾波器后的損失。（3）為可能的ASK調(diào)制方式提供手段。（4）增大功率輸出，增強(qiáng)信號(hào)或者擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍。4.4微波