射频识别_第二章(精品).ppt
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1、LOGO射频识别技术射频识别技术 电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端电气信息工程学院电气信息工程学院LOGO射频识别技术工作在低频和高频时基于电感耦合方式(能量及信息射频识别技术工作在低频和高频时基于电感耦合方式(能量及信息射频识别技术工作在低频和高频时基于电感耦合方式(能量及信息射频识别技术工作在低频和高频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),工作在特高频和超高频时基于反向散传递以电感耦合方式实现),工作在特高频和超高频时基于反向散传递以电感耦合方式实现),工作在特高频和超高频时基于反向散传递以电感耦合方式实现),工作在特高频和超高频时基于反向散射耦合方式。射耦合
2、方式。射耦合方式。射耦合方式。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。端。端。端。本章介绍基于电感耦合方式的射频前端电路的构造和原理。本章介绍基于电感耦合方式的射频前端电路的构造和原理。本章介绍基于电感耦合方式的射频前端电路的构造和原理。本章介绍基于电感耦合方式的射频前端电路的构造和原理。电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端LOGO下图为三种典型的天线电路:下图为三种典型的天线电路:下图为三种
3、典型的天线电路:下图为三种典型的天线电路:阅读器天线电路阅读器天线电路LOGO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、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、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、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,因而被广泛采用谐振时可获得最大的回路电流等特点,因而被广泛采用谐振时可获得最大的回路电流等特点,因而被广泛采用谐振时可获得最大的回路电流等特点,因而被广泛采用。串联。串联。串联。串联谐振谐振谐振谐振回路电路组成:回路电路组成:回路电路组成:回路电路
4、组成:其中其中 R1 是电感线圈是电感线圈 L 损耗的等效电阻,损耗的等效电阻,RS 是信号源是信号源 的的内阻,内阻,RL是负载电阻,回路总电阻值是负载电阻,回路总电阻值 R=R1+RS+RL。串联谐振回路:电路组成串联谐振回路:电路组成LOGO若外加电压为若外加电压为 ,则回路电流,则回路电流 为:为:其中其中 Z=R+jX 为阻抗。为阻抗。如果有:如果有:则电流则电流 为最大值,此时回路发生谐振,上式称为串联回路的谐振为最大值,此时回路发生谐振,上式称为串联回路的谐振条件。由此可知回路发生串联谐振的角频率条件。由此可知回路发生串联谐振的角频率 0 和频率和频率 f0 分别为:分别为:f0
5、 称为谐振频率,称为谐振频率,称为谐振频率,称为谐振频率,称为谐振回路的特性阻抗。称为谐振回路的特性阻抗。称为谐振回路的特性阻抗。称为谐振回路的特性阻抗。串联谐振回路:谐振条件串联谐振回路:谐振条件LOGO串联谐振回路谐振时具有如下特性:串联谐振回路谐振时具有如下特性:回路电抗回路电抗 X=0,阻抗,阻抗 Z=R 为最小值,且为纯阻;为最小值,且为纯阻;回路电流最大,即,且与同相;回路电流最大,即,且与同相;电感和电容两端的电压分别为:电感和电容两端的电压分别为:由此可见,电感与电容两端电压的模值相等,且都等于外加电压的由此可见,电感与电容两端电压的模值相等,且都等于外加电压的Q 倍,倍,Q
6、称为回路的品质因数:称为回路的品质因数:回路的回路的 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。耐压问题。串联谐振回路:谐振特性串联谐振回路:谐振特性LOGO设谐振时回路中的瞬时电流设谐振时回路中的瞬时电流 i 为:为:则电感则电感 L 和电容和电容 C 上存储的瞬时能量分别为:上存储的瞬时能量分别为:上式中,为电压源的幅值。电感上式中,为电压源的幅值。电感 L 和电容和电容 C 存储的能量之和存储的能量之和
7、 wR 为:为:由此可见,是一个不随时间变化的常数。这说明回路中存储的能力由此可见,是一个不随时间变化的常数。这说明回路中存储的能力保持不变,只是在电感和电容间相互转换。保持不变,只是在电感和电容间相互转换。串联谐振回路:能量关系串联谐振回路:能量关系LOGO电阻电阻 R 消耗的平均功率消耗的平均功率 P 为:为:在每一周期在每一周期 T(T=1/f0,f0为谢振频率)内,电阻为谢振频率)内,电阻 R 消耗的能量为:消耗的能量为:回路中存储的能量回路中存储的能量 wL+wC 与每一周期消耗的能量与每一周期消耗的能量 wR 之比为:之比为:因此,从能量的角度看,品质因数因此,从能量的角度看,品质
8、因数 Q 可以表示为。可以表示为。串联谐振回路:能量关系串联谐振回路:能量关系LOGO回路中电流幅值与外加电压频率之间的关系曲线称为谐振曲线。任回路中电流幅值与外加电压频率之间的关系曲线称为谐振曲线。任意频率下的回路电流意频率下的回路电流 与谐振时的回路电流与谐振时的回路电流 之比为:之比为:取其模值,得:取其模值,得:上式中,上式中,表示偏离谐振的程度,称为失谐量,表示偏离谐振的程度,称为失谐量,称为广称为广义失谐。义失谐。串联谐振回路:谐振曲线串联谐振回路:谐振曲线LOGO谐振曲线:谐振曲线:由图可知,由图可知,Q 值越高,谐振曲线越尖锐,回路的选择性也就越好。值越高,谐振曲线越尖锐,回路
9、的选择性也就越好。串联谐振回路:谐振曲线串联谐振回路:谐振曲线LOGO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,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,半功率点的电流比为半功率点的电流比为0.707,如下图所示:,如下图所示:通频带通频带 BW 为:为:由此可见,由此可见,Q 值越大,通频带越窄,选择性越好。值越大,通频带越窄,选择性越好。串联谐振回路:通频带LOGO安培定理指出,当电流流过一个导体时,在此导体的周围会产生一安培定理指出,当电流流过一个导体时,在此导体的周围会产生一个磁场个磁场。对于直流载流体,在半径为。对于直流载流体,在半径为 a 的环形
10、磁力线上,磁场强度的环形磁力线上,磁场强度的大小为:的大小为:其中其中 i 为电流,为电流,a 为半径。为半径。磁感应强度磁感应强度 B 和磁场强度和磁场强度 H 的关系为:的关系为:其中其中 0 为真空磁导率,为真空磁导率,r 为相对磁导率。为相对磁导率。电感线圈的交变磁场电感线圈的交变磁场LOGO在电感耦合的射频识别系统中,阅读器天线电路的电感常采用短圆在电感耦合的射频识别系统中,阅读器天线电路的电感常采用短圆柱形线圈结构,如下图所示。图中柱形线圈结构,如下图所示。图中 P 点的的磁感应强度点的的磁感应强度 BZ为:为:电感线圈的交变磁场电感线圈的交变磁场其中其中 i1 为电流,为电流,N
11、1 为线圈匝数,为线圈匝数,a 为线圈半径,为线圈半径,r 为距离线圈中为距离线圈中心的距离,心的距离,0为真空磁导率。为真空磁导率。当当 ra时,时,LOGO上面的关系表明,从线圈中心到一定距离磁场强度几乎是不变的,上面的关系表明,从线圈中心到一定距离磁场强度几乎是不变的,而后急剧下降,其衰减大约为而后急剧下降,其衰减大约为 60dB/10倍距离,如下图所示:倍距离,如下图所示:上述结论适用于近场,近场是指与线圈中心处的距离小于的上述结论适用于近场,近场是指与线圈中心处的距离小于的 r 的范的范围,即围,即其中为其中为 r为工作波长。为工作波长。电感线圈的交变磁场电感线圈的交变磁场rB 0
12、LOGO假定线圈中电流不变,讨论假定线圈中电流不变,讨论 a 和和BZ 的关系。的关系。令令dBZ/da=0,求得,求得 BZ 具有最大值的条件为具有最大值的条件为 ,这就是说,在一这就是说,在一定距离定距离 r 处,当线圈半径为处,当线圈半径为 时,可获得最大磁感应强度。时,可获得最大磁感应强度。矩形线圈的磁感应强度为:矩形线圈的磁感应强度为:其中其中 i1 为电流,为电流,N1 为线圈匝数,为线圈匝数,a 和和 b为矩形的边长,为矩形的边长,r 为距离线圈为距离线圈中心的距离,中心的距离,0为真空磁导率。为真空磁导率。电感线圈的交变磁场电感线圈的交变磁场LOGOMicrochip 公司生产
13、的公司生产的 13.56 MHz 应答器应答器 MCRF355 和和 MCRF360的的天线电路:天线电路:应答器天线电路应答器天线电路LOGOTemic 公司生产的公司生产的 125 kHz应答器芯片应答器芯片e5550的天线电路:的天线电路:应答器天线电路应答器天线电路LOGO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,则应采用并联谐振回路。在研究并联谐振回路时,采源的内阻大,则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。用恒流源(信号源内阻很大)分析比较方便。导纳导
14、纳 Y 可表示为:可表示为:其中其中 为电导,为电导,为谐振电阻,为谐振电阻,为电纳。为电纳。并联谐振回路并联谐振回路图(图(a)中并联回路两端的阻抗为:)中并联回路两端的阻抗为:LOGO因此我们可以得到另外一种形式的并联谐振回路:因此我们可以得到另外一种形式的并联谐振回路:当并联谐振回路的电纳当并联谐振回路的电纳 时,回路两端电压时,回路两端电压 ,并且,并且 和和 同相,此时称并联谐振回路对外加信号频率源发生并联谐振。同相,此时称并联谐振回路对外加信号频率源发生并联谐振。由由 推得并联谐振的条件为:推得并联谐振的条件为:并联谐振回路:谐振条件并联谐振回路:谐振条件LOGO并联谐振时的谐振电
15、阻并联谐振时的谐振电阻 为:为:同样,在并联谐振时把回路的感抗值(或容抗值)与电阻的比值称同样,在并联谐振时把回路的感抗值(或容抗值)与电阻的比值称为回路的品质因数为回路的品质因数 :式中式中 称为特性阻抗,进一步有:称为特性阻抗,进一步有:由此可见,谐振时谐振电阻等于感抗值(或容抗值)的由此可见,谐振时谐振电阻等于感抗值(或容抗值)的 倍。倍。并联谐振回路:谐振特性并联谐振回路:谐振特性LOGO谐振时电容支路、电感支路的电流谐振时电容支路、电感支路的电流 和和 分别为:分别为:并联谐振回路:谐振特性并联谐振回路:谐振特性由此可见,并联谐振时电感、电容由此可见,并联谐振时电感、电容支路的电流为
16、信号源电流的支路的电流为信号源电流的 倍,倍,所以并联谐振又称为电流谐振。所以并联谐振又称为电流谐振。LOGO并联谐振回路:谐振曲线和通频带并联谐振回路:谐振曲线和通频带并联谐振回路和串联谐振回路的谐振曲线相同,但其纵坐标不同:并联谐振回路和串联谐振回路的谐振曲线相同,但其纵坐标不同:并联谐振回路的通频带带宽并联谐振回路的通频带带宽 BW 为:为:式中式中 fp 为并联谐振频率,为并联谐振频率,为谐振曲线两半功率点的频差。为谐振曲线两半功率点的频差。LOGO加入负载后的并联谐振回路加入负载后的并联谐振回路当考虑源内阻当考虑源内阻 RS 和负载电阻和负载电阻 RL 后,并联谐振回路的等效电路如下
17、后,并联谐振回路的等效电路如下图所示。图所示。因为有:因为有:所以有:所以有:由此可见,当考虑源内阻由此可见,当考虑源内阻 RS 和负载电阻和负载电阻 RL 后,并联谐振回路的品后,并联谐振回路的品质因数要下降。质因数要下降。RSRLLOGO考虑下图所示的串、并联电路,二者等效实质是指在电路的工作频考虑下图所示的串、并联电路,二者等效实质是指在电路的工作频率为率为 f 时,从时,从 AB 端看进去的阻抗相等。端看进去的阻抗相等。从阻抗相等的关系可得:从阻抗相等的关系可得:串、并联阻抗等效互换串、并联阻抗等效互换LOGO串联回路的品质因数串联回路的品质因数 Q1 为:为:因此有:因此有:在高在高
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