第2章-2.2-RFID射频前端电路-1

RFID工作耦合方式从电子标签到阅读器之间的通信及能量感应方式来看，系统一般可以分为两类：电感耦合（InductiveCoupling）系统和电磁反向散射耦合（BackscatterCoupling）系统。电感耦合通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。该方式一般适合于中、低频工作的近距离RFID系统，典型工作频率：125kHz，225kHz，和13.56MHz。识别作用距离一般小于1m，典型作用距离为0~20cm。电磁反向散射耦合基于雷达模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。该方式一般适用于高频、微波工作的远距离RFID系统，典型的工作频率：433MHz，915MHz，2.45GHz和5.8GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为4~6m。4.2.1电感耦合RFID系统电感耦合工作方式对应于ISO/IEC14443协议。电感耦合电子标签由一个电子数据作为载体，通常由单个微芯片及天线（大面积线圈）等组成。在标签中的微芯片工作所需的全部能量由阅读器发送的感应电磁能提供。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生，并穿越线圈横截面和周围空间，以使附近的电子标签产生电磁感应。1.能量供应阅读器天线线圈激发磁场，其中一小部分磁力线穿过电子标签天线线圈，通过感应，在电子标签的天线线圈上产生电压U，将其整流后作为微芯片的工作电源。电容器Cr与阅读器的天线线圈并联，电容器与天线线圈的电感一起，形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联震荡回路，该回路的谐振使得阅读器的天线线圈产生较大的电流。电子标签的天线线圈和电容器C1构成震荡回路，调谐到阅读器的发射频率。通过该回路的谐振，电子标签线圈上的电压U达到最大值。这两个线圈的结构可以被解释为变压器（变压器的耦合）。CrBP解调HsffC1C2芯片图4-5电感耦合型RFID系统阅读器电子标签2数据传输对于电子标签和阅读器天线之间的作用距离不超过，并电子标签处于近场范围内，电子标签与阅读器的数据传输为负载调制（电感耦合、变压器耦合）。如果把谐振的电子标签放入阅读器天线的交变磁场，那么电子标签就可以从磁场获得能量。采用从供应阅读器天线的电流在阅读器内阻上的压降就可以测得这个附加的功耗。电子标签天线上负载电阻的接通与断开促使阅读器天线上的电压发生变化，实现了用电子标签对天线电压进行振幅调制。而通过数据控制负载电压的接通和断开，这些数据就可以从标签传输到阅读器了。此外，由于阅读器天线和电子标签天线之间的耦合很弱，因此阅读器天线上表示有用信号的电压波动比阅读器的输出电压小。在实践中，对13.56MHz的系统，天线电压（谐振时）只能得到约10mV的有用信号。因为检测这些小电压变化很不方便，所以可以采用天线电压振幅调制所产生的调制波边带。如果电子标签的附加负载电阻以很高的时钟频率接通或断开，那么在阅读器发送频率将产生两条谱线，此时该信号就容易检测了，这种调制也称为副载波调制。16.0以汽车收费站监控的例子说明。RFID系统由Tag芯片、天线、读卡器所组成，接收信息并传至计算机系统处理。4.2.2电磁反向散射RFID系统1反向散射调制电磁波从天线向周围空间发射，到达目标的电磁波能量的一部分（自由空间衰减）被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量的一部分最终会返回发射天线，称其为回波。在雷达技术中，用这种反射波测量目标的距离和方位。在RFID系统中，利用电磁波反射完成从电子标签到阅读器的数据传输，主要应用于915MHz、2.45GHz甚至更高频率的系统中。该RFID系统工作分为以下两个过程：（1）标签接收读写器发射的信号，其中包括已调制载波和未调制载波。当标签接收的信号没有被调制时，载波能量全部被转换为直流电压，该电压供给电子标签内部芯片能量；当载波携带数据或者命令时，标签通过接收电磁波作为自己的能量来源，并对接收信号进行处理，从而接收读写器的指令或数据。（2）标签向读写器返回信号时，读写器只向标签发送未调制载波，载波能量一部分被标签转化成直流电压，供给标签工作；另一部分能量被标签通过改变射频前端电路的阻抗调制并反射载波来向读写器传递信息。电子标签的等效电路图如下所示，Vs为天线接收信号，Za表示天线的阻抗，Z1表示芯片的输入阻抗。为了达到调制背向反射载波的目的，Z1有两种状态，分别为Z11和Z12。当标签需要发送的信息为二进制数“1”时，芯片的阻抗状态为Z11；当标签需要发送的信息为二进制数“0”时，芯片的阻抗状态为Z12。这样在两种状态下标签反射回读写器的信号为：S0(t)=s(t)S1S1(t)=s(t)S2式中，s(t)为标签接收到的信号。VsZaZ1图4-6电子标签的等效电路图2反向散射调制的能量传输电磁波从天线向周围空间发射，会遇到不同的目标。到达目标的电磁波能量一部分被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量的一部分最终返回发射天线。下面我们看该方式调制的能量传输。（1）阅读器到标签的能量传输在距离阅读器距离为R的电子标签处的功率密度为式中，PTX为读写器的发射功率，GTX为发射天线的增益，R是标签到读写器天线之间的距离，EIRP为天线的有效辐射功率，是指读写器发射功率和天线增益的乘积。在电子标签和发射天线都处于最佳姿态，并且极化方向相匹配时，电子标签可以吸收的最大功率与阅读器发射信号的功率密度S成正比：2244REIRPRGPSTXTXSAPeTag式中，Ae为电子标签的有效面积：GTag为电子标签的天线增益，因此，有：无源RFID系统的电子标签通过电磁场供电，标签功耗很大，读写距离越短，性能就越差。RFID电子标签能否工作也主要由电子标签的工作电压所决定，这也决定了无源RFID系统的识别距离。但随着集成电路工艺的发展，射频电子标签芯片本身的功耗逐渐在降低。目前，典型的低功耗电子标签的工作电压为1.2V左右，标签本身的功耗可以低至数十微瓦到数微瓦。这使得无源电子标签的识别距离在无线电发射功率受到限制的情况下可以达到10m以上。TageGA42RGTEIRPSAPageTag4（2）电子标签到阅读器的能量传输电子标签返回的能量与它的雷达散射截面面积成正比，它是目标反射电磁波能力的测度。散射面积取决于一系列的参数，这既包含物体本身的特性，如目标的大小、形状、材料和表面结构，也包括反射电磁波的特性，如电磁波的波长和极化方向等。电子标签在空间某个位置接收到阅读器发射的电磁波，一部分自身吸收用于提供自身工作的能量，另一部分被反射回去，电子标签反射电磁波的能量为：返回阅读器的功率密度为接收天线的有效面积为式中，GRX为天线的增益。2244REIRPRGPSPTXTXBack42)4(RGPSTXTXBackRXwGA42可以得出，阅读器接收的标签反射信号的总功率为4.2.3声表面波标签的识别原理1声表面波RFID原理声表面波（SurfaceAcousticWave,SAW）是传播于晶体表面的一种机械波，其声速仅为电磁波速的十万分之一，传播衰耗很小。声表面波器件的功能部分，是采用现代微电子技术在表面抛光的压电材料基片上制作的叉指换能器、反射体和耦合栅等金属电极结构，基于（逆）压电效应，射频信号在经历电磁波---声表面波---电磁波的换能过程中得到处理，达到预定功能要求。以高频谐振器、带通滤波器为代表的现代声表面波器件，具有体积小、重量轻、可靠性高、一致性好、功能多及设计灵活等优点，已成为了先进广泛使用的电子关键元器件。SAW标签由叉指换能器和若干反射器组成，如下图所示。432)4(RGGPASPRXTXTXwBackRX换能器的两条总线与电子标签的天线相连接，阅读器的天线周期的发送高频询问脉冲，在电子标签天线的接收范围之内，被接收到的高频脉冲通过叉指换能器转变成声表面波，并在晶体表面传播。反射器组对入射表面波部分反射，并返回到叉指换能器，叉指换能器又将反射声表面波脉冲串转变为高频电脉冲串。如果将反射器组按某种特定的规律设计，使其反射信号表示规定的编码信息，那么阅读器接收到的反射高频电脉冲串就带有该物品的特定编码，通过解调与处理，即可达到自动识别的目的。发射的高频脉冲响应信号天线叉指换能器反射器压电晶体图4-6声表面波标签2声表面波RFID系统的应用领域及优点由于声表面波SAW器件工作在射频波段，无源而且抗电磁干扰能力较强，因此SAW技术实现的电子标签具有一定的独特优势，是对集成电路（IC）技术的补充。SAW标签应用领域非常广泛，包括物流管理、路桥收费、公共交通、门禁控制、防伪、超市防盗、航空行李分拣、邮包跟踪、流水线控制与跟踪、体育竞赛等。同时也适用于压力、应力、扭曲、加速度和温度等变化参数的测量，如铁路红外轴温探测系统的热轴定位、轨道衡、超偏载检测系统、汽车轮胎压力等。其主要优点如下：（1）读取范围大且可靠，识别距离远。（2）可使用在金属和液体产品上。（3）标签芯片与天线匹配简单，制作工艺成本低。（4）不仅能识别静止物体，而且能识别速度达300km/h的高速运动物体。（5）可在高温差（-100℃~300℃）、强电磁干扰等恶劣环境下使用。3声表面波RFID系统的关键技术（1）标签编码容量与作用距离增加反射体数目和改进编码方法，是提高SAW标签编码容量的主要措施。增加反射体数目会增加芯片长度，并受声表面波传输损耗和成本限制。即使采用声道折叠、并列声道和转向结构等来减小芯片长度，但为保持反射回波脉冲均匀，每个反射体的反射能力应降低，则必然导致回波强度减小，作用距离减小。（2）应答器和读写器的配合读写器属于通用简易脉冲雷达系统，RFID系统的性能与读写器的性能息息相关，技术实现难度取决于比特率、标签性能和编码调制方法。声表面波标签回波的主要特征是：反射回波幅度小、涨幅有涨落；但其时间特征可以预知。因此，读写器应有同步时钟、等时间闸等适应声表面波标签特征的电路，以提高声表面波标签的性能。（3）小型低成本且适合待识别物品的电子标签天线为增加识别距离和提高识别可靠性，应尽量加大天线尺寸，但在一些应用中，却希望标签尺寸越小越好。因此，小型且低成本适合待识别物品的电子标签天线是应用的关键。（4）封装标签附着物品和使用环境千差万别，所以其封装结构各有特色。但是必须达到如下几个要求：①保证压片芯片在工作寿命期间能耐外部环境应力及变化，不造成性能劣化。②至少不影响或较少影响标签天线的高频电磁波接受效果。③固定于待识别物的方法简单、附着牢靠，对物品无损伤。④外形美观，与待识别物和谐，满足安全和环保等要求。传输频率越来越高传输速度越来越快传输距离越来越远应用范围越来越广1-1RFID通信的物理学原理①根据观测点到天线的距离和电磁波的波长，电磁场区划分为近场区和远场区1-1RFID通信的物理学原理②近场区的通信原理类似于变压器中的电场和磁场的逆转换，能量的耦合方式为电感耦合方式。RFID读写器通过天线（线圈）发射能量和信息重叠的电磁变场信号，而RFID电子标签通过天线（线圈）获取电磁变场信号来产生感应电流并读取信号。远场区电磁场脱离天线的束缚进入空间，通过电场的辐射来传输能量和信息，能量的耦合方式为电容耦合方式。1-1RFID通信的物理学原理③RFID的低频和高频段的信息传递在近场区进行，超高频和微波段在远场区进行RFID耦合方式电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合。一般适合于中、低频工作的近距离（小于1米）射频识别系统。电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息。一般适合于高频、微波等工作距离较远的射频识别系统。三、RFID的耦合方式根据射频耦合方式的不同，RFID可以分为：电感耦合方式（磁耦合）反向散射耦合方式（电磁场耦合）电感耦合方式：负载调制的原理示意图测控电路253.1调幅式测量电路(2)开关电路调制3.信号调制解调电路3.1.1调幅原理与方法uxuo