物联网射频识别(RFID)技术与应用 第4章ppt课件.ppt
,物联网射频识别（RFID）技术与应用,第4章 RFID射频前端电路,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,低频和高频RFID采用电感耦合方式进行工作。在这种工作方式中，线圈形式的天线相当于电感，电感线圈产生交变磁场，使读写器与电子标签之间相互耦合，构成了电感耦合的工作方式。同时，线圈产生的电感与射频电路中的电容组合在一起，形成谐振电路，谐振电路可以实现低频和高频RFID能量和数据的传输。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.1.1 线圈的自感和互感1.磁通量磁感应强度B通过曲面S的通量称为磁通量，为（4.1）图4.1 通过一个闭合回路的磁通量,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.线圈的电感在RFID中，读写器的线圈与电子标签的线圈都有电感。线圈的电感为（4.3）,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.线圈的互感两个线圈之间有互感。互感定义为（4.5）图4.4 读写器与电子标签之间的互感,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.1.2 RFID读写器的射频前端对读写器天线电路的构造有如下要求。（1）读写器天线上的电流最大，使读写器线圈产生最大 的磁通；（2）功率匹配，最大程度地输出读写器的能量；（3）足够的带宽，使读写器信号无失真输出。因此，RFID读写器的射频前端常采用串联谐振电路。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,图4.5 读写器的射频前端 图4.6 串联谐振电路,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,1.谐振频率只有当频率为某一特殊值时，才能产生谐振，此频率称为谐振频率。谐振频率为(4.9),点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.品质因数品质因数定义为(4.10)串联谐振电路的品质因数为(4.11),点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.输入阻抗在谐振频率，电感的感抗和电容的容抗相互抵消，输入阻抗为(4.13)在其它频率，输入阻抗为复数。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.带宽图4.7 串联谐振电路的带宽带宽可以由品质因数和谐振频率求得，如果品质因数越高，则相对带宽越小。(4.16),点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,5.有载品质因数实际应用中，谐振电路总是要与外负载相耦合，由于外负载消耗能量，使有载品质因数下降。无载品质因数、外部品质因数和有载品质因数关系为(4.19),点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.1.3 RFID电子标签的射频前端图4.8 电子标签射频前端天线电路的结构,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,RFID电子标签的射频前端常采用并联谐振电路。并联谐振电路如图4.9所示，由电阻、电感和电容并联而成。图4.9 并联谐振电路,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,例4.1 设计一个由理想电感和理想电容构成的并联谐振电路，要求在负载 及 时，有载品质因数。讨论通过改变电感和电容值提高有载品质因数的途径。解 有载品质因数为,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,所以电感为谐振时的角频率为所以电容为,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,可以通过将电感值降低 倍同时将电容值提高倍的方法来提高有载品质因数。例如，电感、电容和有载品质因数分别为,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.1.4 读写器与电子标签的电感耦合1.电子标签的感应电压当电子标签进入读写器产生的磁场区域后，电子标签的线圈上就会产生感应电压，电子标签获得的能量可以使标签开始工作。图4.12 电子标签并联谐振的等效电路,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.电子标签的直流电压电子标签通过与读写器电感耦合，产生交变电压，该交变电压通过整流、滤波和稳压后，给电子标签的芯片提供所需的直流电压。图4.13 电子标签交变电压转换为直流电压,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.1.5 RFID负载调制技术负载调制通过对电子标签振荡回路的电参数按照数据流的节拍进行调节，使电子标签阻抗的大小和相位随之改变，从而完成调制的过程。负载调制技术主要有电阻负载调制和电容负载调制两种方式。,点击此处结束放映,电阻负载调制,物联网射频识别（RFID）技术与应用,电子标签数据的二进制数据编码 电子标签线圈两端的电压 读写器线圈两端的电压 读写器线圈解调后的电压 图4.15 电阻负载调制的波形变化过程,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,图4.15（a）为电子标签数据的二进制数据编码，图4.15（b）为电子标签线圈两端的电压，图4.15（c）为读写器线圈两端的电压，图4.15（d）为读写器线圈解调后的电压。可以看出，图4.15（a）与图4.15（d）的二进制数据编码一致，表明电阻负载调制完成了信息传递的工作。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.2.1 微波射频前端的一般框图,点击此处结束放映,微波RFID的射频前端主要包括发射机电路和接收机电路，需要处理收、发两个过程。天线接收到的信号通过双工器进入接收通道，然后通过带通滤波器进入放大器，这时信号的频率还为射频；射频信号在混频器中与本振信号混频，生成中频信号；中频信号的频率为射频与本振信号频率的差值，混频后中频信号的频率比射频信号的频率大幅度降低。发射的过程与接收的过程相反，在发射的通道中首先利用混频器将中频信号与本振信号混频，生成射频信号；然后将射频信号放大，并经过双工器由天线辐射出去。在上述过程中，滤波、放大、本地振荡器和混频都属于射频前端电路的范畴。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.2.2 射频滤波器1.滤波器的类型 滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器4种基本类型。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.低通滤波器原型低通滤波器原型是设计滤波器的基础，集总元件低通、高通、带通、带阻滤波器以及分布参数滤波器，可以根据低通滤波器原型变换而来。插入损耗作为考察滤波器的指标，用来讨论低通滤波器原型的设计方法。插入损耗定义为来自源的可用功率与传送到负载功率的比值。（4.22）,点击此处结束放映,反射系数（reflectioncoefficient）为反射电压与入射电压之比，其公式为：(Z1-Z0)/(Z1+Z0)其中：Z1反射点等效阻抗值 Z0电缆的特性阻抗。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（1）巴特沃斯低通滤波器原型如果滤波器在通带内的插入损耗随频率的变化是最平坦的，这种滤波器称为巴特沃斯（最平坦）滤波器。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（2）切比雪夫低通滤波器原型如果滤波器在通带内有等波纹的响应，这种滤波器称为切比雪夫滤波器，也称为等波纹滤波器。,点击此处结束放映,（a）巴特沃斯（b）切比雪夫 低通滤波器原型电路,滤波器的结构可以为下图,34,2.型和T滤波匹配网络,恰当选择两个L型网络的Q值，就可兼顾滤波和阻抗匹配的要求。,可以求出N元件低通滤波器原型的元件取值如下：最平坦低通滤波器原型的元件取值（g0=1，N=1至10）,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.滤波器的变换及集总参数滤波器对低通滤波器原型进行反归一化设计，可以变换到任意源阻抗和任意频率的低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。（1）滤波器的变换滤波器的变换包括阻抗变换和频率变换2个过程，以满足实际的源阻抗和工作频率。,点击此处结束放映,将归一化频率变换为实际频率，相当于变换原型中的电感和电容值。通过频率变换，不仅可以将低通滤波器原型变换为低通滤波器，而且可以将低通滤波器原型变换为高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。下面分别加以讨论。,若实际的源电阻为RS，令变换后实际滤波器的元件值用下面带撇号的符号表示：,1.低通滤波器原型变换为低通滤波器 将低通滤波器原型的截止频率由1改变为c（c1），在低通滤波器中需要用/c代替低通滤波器原型中的，即,图 低通滤波器原型到低通滤波器的频率变换,2.低通滤波器原型变换为高通滤波器 将低通滤波器原型变换为高通滤波器，在高通滤波器中需要用c/代替低通滤波器原型中的，c为高通滤波器的截止频率，即式中负号可实现电感转换为电容，电容转换为电感。这种频率变换可以将低通滤波器原型的 变换为高通滤波器，带入到低通滤波器原型的串联阻抗jwL和并联导纳jwC中，可确定高通滤波器的元件值：,图 低通滤波器原型到高通滤波器的频率变换,图 低通滤波器原型变换到带通和带阻的频率变换,3.低通滤波器原型变换为带通和带阻滤波器 低通滤波器原型也能变换到带通和带阻滤波器响应的情形。,用1和2表示带通滤波器通带的边界，将低通滤波器原型变换为带通滤波器，需要用下面的频率变换关系,（2）频率变换,4.分布参数滤波器的设计,前面讨论的滤波器是由集总元件电感和电容构成，当频率不高时，集总元件滤波器工作良好。但当频率高于500Mz时，滤波器通常由分布参数元件构成，这是由于两个原因造成的，其一是频率高时电感和电容应选的元件值过小，由于寄生参数的影响，如此小的电感和电容已经不能再使用集总参数元件。其二是此时工作波长与滤波器元件的物理尺寸相近，滤波器元件之间的距离不可忽视，需要考虑分布参数效应。,本节讨论采用短截线方法，将集总元件滤波器变换为分布参数滤波器，其中理查德（Richards）变换用于将集总元件变换为传输线段，科洛达（Kuroda）规则可以将各滤波器元件分隔。,理查德变换 通过理查德变换，可以将集总元件的电感和电容用一段终端短路或终端开路的传输线等效。终端短路和终端开路传输线的输入阻抗具有纯电抗性，利用传输线的这一特性，可以实现集总元件到分布参数元件的变换。,科洛达规则科洛达规则是利用附加的传输线段，得到在实际上更容易实现的滤波器。例如，利用科洛达规则既可以将串联短截线变换为并联短截线，又可以将短截线在物理上分开。,1.单位元件 附加的传输线段称为单位元件。单位元件是一段传输线，当f=f0时这段传输线长为/8。2.科洛达规则 科洛达规则包含4个恒等关系，这4个恒等关系列于下表中，表中的电感和电容分别代表短路和开路短截线。,表 4个科洛达规则,（a）巴特沃斯（b）切比雪夫 低通滤波器原型电路,滤波器的结构可以为下图,滤波器设计举例利用理查德变换和科洛达规则，可以实现低通和带阻滤波器。例：用短截线设计微带线低通滤波器，要求截止频率为4GH在，3阶，带内波纹为3dB,阻抗为50.解：由于带内等波纹，所以由前面表知低通滤波器原型的元件值为：g1=3.3487=L1g2=0.7117=C2g3=3.3487=L3集总参数低通滤波器原型如有图所示。,利用理查德变换，将集总元件变换成短截线。串联电感L1和L3变换成串联短截线，并联电容C2变换成并联短截线，所有短截线在f=fc=4GHz时长度都是/8,短截线的归一化特性阻抗分别为：Z1=3.3487 Z2=1/0.7117=1.4051 Z3=3.3487,电容电感变换成短截线如下如所示：,串联短截线用微带很难实现，并联短截线用微带容易实现，用科洛达规则将串联短截线变换为并联短截线。首先在滤波器输入和输出端添加2个单位元件，单位元件与源和负载匹配，不会影响滤波器的特性(a图)。然后利用科洛达规则第2种情况，将串联短截线变为并联短截线。计算如下：N=1+1/3.34871.2986(由表下注释N=1+Z2/Z1可知)滤波器输入端口和输出端口并联短截线的归一化特性阻抗为：Z1=Z3=N=1.2986滤波器2个单位元件的归一化特性阻抗为ZUE1=ZUE2=3.3487*N4.3486最后利用阻抗变换，用50乘以b图各段传输线的归一化特性阻抗，得到c图将c图用微带线实现得到微带短截线滤波器,（1）微带短截线低通滤波器,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.2.4 微带天线微带天线是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线，矩形微带贴片天线尺寸为d x L，基片厚度为h0,0为自由空间波长。该贴片可看作为长为d，宽为L的一段微带传输线，沿d边终端处呈现开路，因而将形成电压波腹与宽度为W的导带馈线相连，一般取d=g/2，g为微带天线上波长，于是d边另一端也呈电压波腹，天线的辐射主要就由贴片与接地板之间沿着两端的L边隙缝形成，于是矩形贴片可表示为相距d的两条具有复导纳的隙缝。通常利用微带传输线或同轴探针来馈电，在导体贴片与接地板之间激励器高频电磁场，通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射。图3.11 微带天线,点击此处结束放映,由于微带天线具有一系列突出优点，因此在很多领域内获得了广泛的应用，如：卫星通信，多普勒及其他雷达，射频测量计，指挥和控制系统，导弹遥测，武器引信，环境检测仪表和遥感，卫星导航接收，生物医学辐射器等等。在某些领域内还可望取代常规的微波天线。,短传输线段的近似等效电路为得到短传输线段的近似等效电路，需要讨论一段传输线的网络参量和集总元件T形网络的网络参量，通过这2种网络参量的对比，可以得到短传输线段与集总元件电感和电容的等效关系。,图 T形网络与一段传输线相的等效,补充知识点,如果信号沿互连线传播时所受到的瞬态阻抗发生变化，则一部分信号将被反射，另一部分发生失真并继续传播，这正是单一网络中多数信号完整性问题产生的主要原因。反射和失真使信号质量下降，看起来就像是振铃。引起信号电平下降的下冲可能会超过噪声容限，造成误触发。下图表示短传输线末端由瞬态阻抗突变造成的反射噪声。,阻抗变化处的反射,只要瞬态阻抗发生了改变，部分信号将沿着与原传播方向相反的方向反射，而另一部分将继续传播，但幅度有所改变。将瞬态阻抗发生改变的地方称为阻抗突变，或简称突变。反射信号的量值由瞬态阻抗的变化量决定，如图所示。如果第一个区域瞬态阻抗是Z1，第二个区域是Z2，则反射信号与入射信号幅值之比为（后面证明）：,Vreflected表示反射电压；Vincident表示入射电压；Z1表示信号最初所在区域1的瞬态阻抗；Z2表示信号进入区域2时的瞬态阻抗；表示反射系数；,阻抗变化处的反射,两个区域的阻抗差异越大，反射信号量就越大。例如，1V信号沿特性阻抗为50W的传输线传播，开始所受到的瞬态阻抗为50W，当它进入特性阻抗为75W的区域时，反射系数为：(75-50)/(75+50)=0.2，反射电压为1V0.2=0.2V。信号沿传输线传播时遇到阻抗突变，在突变处将产生另一个波。该波将叠加在第1个波上，向源端传播，其幅度等于入射电压的幅度乘以反射系数。反射系数描述了反射回源端的那部分电压。传输系数描述了通过交界面进入第二区域的部分入射电压。,电阻性负载的反射,传输线的终端匹配有三种最重要的特殊情况。假设传输线的特性阻抗是50W。首先，如果传输线的终端为开路，即末端的瞬态阻抗是无穷大。这时反射系数为1：(无穷-50)/(无穷+50)=1。即在开路端将产生与入射波大小相同、方向相反、返回源端的反射波。在传输线的末端（开路端的总电压），将是两个波的叠加。一个是幅度为1V的信号向开路端传播，同时另一个也是1V信号，但它向相反的方向传播。因此开路端的电压为2V。见下图。,电阻性负载的反射,如果区域2是开路，则反射系数为1。此时开路处有两个方向相反的波相叠加。,电阻性负载的反射,第二种特殊情况是传输线的末端与返回路径相短路，即末端阻抗为0。反射系数为-1：(0-50)/(0+50)=-1。1V入射信号到达远端时，产生-1V反射信号向源端传播。短路突变处测得的电压为入射电压与反射电压之和，即0V。,电阻性负载的反射,最后一种特殊情况是传输线末端所接阻抗与传输线的特性阻抗相匹配。如果传输线的末端连接50W电阻，则反射系数为0，此时不会存在反射电压，50W电阻两端的电压就仅是入射信号。,电阻性负载的反射,当末端为一般电阻性负载时，信号所受到的瞬态阻抗在0到无穷大之间，这样，反射系数在-1到+1之间。下图给出了50W传输线的终端电阻与反射系数之间的关系。,信号从50W的区域1到区域2各种阻抗时的反射系数。,电阻性负载的反射,当区域2的阻抗小于区域1的阻抗时，反射系数为负，反射电压也是负电压。该负电压行波将返回源端。这时电阻（负载）两端的电压总是小于入射电压。,1V入射信号，终端电压值。为入射波与反射波之和。,反射形成机理,只要信号遇到瞬态阻抗突变，反射就会发生。反射可能发生在线末端，或者是互连线拓扑结构发生改变的地方，如拐角、过孔、T型结构、接插件等处。因此设计互连线的目的就是尽可能保持信号受到的阻抗恒定。为了减少和消除反射，在高速电路板设计中的要注意四点：使用可控阻抗互连线；传输线两端至少有一端需要匹配；采用使多分支产生的影响最小化的布线拓扑结构；使几何结构的不连续（突变）最小化。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.2.3 射频低噪声放大器1.放大器稳定的定义稳定性是指放大器抑制环境的变化（如信号频率、温度、源和负载等变化时），维持正常工作特性的能力。因此，放大器稳定意味着反射系数的模小于1。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.放大器的功率增益放大器的转换功率增益为：(4.28)其中 为晶体管的增益，GS为输入匹配网络的有效增益，GL为输出匹配网络的有效增益,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,信源与晶体管之间，晶体管与负载之间的失配程度对放大器有影响。很对情况下，放大器的失配由输入和输出电压驻波比表示。3.放大器输入输出驻波比 电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio）放大器输入、输出电压驻波比为晶体管发射系数越大，电压驻波比越大，失配也就越大。(4.29),点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.放大器的噪声(4.30)(4.31)多级的级连的高增益放大器，仅第一级对总噪声有较大影响。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.2.4 射频功率放大器功率放大器是大信号放大器，晶体管时常工作于非线性区域。功率放大器的效率是特别需要考虑的，放大器的效率定义为射频输出功率与直流输入功率之比，A类放大器的效率最高为50%。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,1.1dB增益压缩点当输入功率较低时，输出与输入功率成线性关系；当晶体管的输入功率达到饱和状态时，其增益开始下降，或者称为压缩。当晶体管的功率增益从其小信号线性功率增益下降1dB时，对应的点称为1dB增益压缩点。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.交调失真在非线性放大器的输入端加两个或两个以上频率的正弦信号时，在输出端将产生附加的频率分量。这些新的频率分量称为谐波失真或交调失真。三阶交调 和 由于距 和 太近而落在了放大器的频带内，不易滤除，可以导致信号失真。,点击此处结束放映,us(f c),uL(f L),uI(f I),un(f n),uo(),而这些组合频率的信号中只要和中频频率 fI=fL-fs相同或接近，都会和有用信号一起被选出，并送到后级中放，经放大后解调输出而引起串音，啸叫和各种干扰，从而影响有用信号的正常工作。,一般混频器存在下列干扰：,两干扰信号和本振信号产生的互相调制干扰,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.2.5 射频振荡器 振荡器是一个非线性电路，它将直流（DC）功率转换为交流（AC）波形。振荡器的核心是一个能够在特定频率上实现正反馈的环路。（1）放大器工作于稳定状态，振荡器依赖于不稳定电路。（2）放大器设计输入和输出匹配网络，振荡器设计调谐网络和终端网络。（3）放大器将输入信号放大，振荡器的起振由任意噪声或暂态信号触发。,点击此处结束放映,微波振荡器,当工作频率接近或大于1GHz时，电压和电流的波动特性不能忽略，需要采用传输线理论描述电路的特性，因此需要讨论基于反射系数的微波振荡器。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,1.振荡条件（1）存在不稳定有源器件。（2）振荡器左端满足：（3）振荡器左端满足：,点击此处结束放映,图4.29 双端口振荡器的组成框图,图中传输线上有反射波传输，源的反射系数为S;负载的反射系数为L；二端口网络输入端的反射系数为in；二端口网络输出端的反射系数为ou。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,振荡器与放大器的差异如下：（1）在放大器的情形，稳定性因子k1。在振荡器的情形，稳定性因子k1、out1。（3）在放大器的情形，希望器件具有高度稳定性。在振荡器的情形，希望器件具有高度不稳定性。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,（4）在放大器的情形，有输入和输出匹配网络。在振荡器的情形，有振荡器调谐网络和终端网络。（5）振荡器的起振由任意噪声或暂态信号触发，但很快达到一个稳定的振荡状态。振荡器由起振到稳态需要一个非线性有源器件完成，对振荡器的全面分析十分复杂。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.晶体管振荡器有如下条件：（1）不稳定的晶体管。（2）调谐网络。（3）终端网络。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.2.6 射频混频器1.混频器的特性（1）上变频（2）下变频（3）变频损耗,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2单端二极管混频器 理想混频器输出信号的频率仅为二个输入信号的和频和差频，实际混频器是由二极管或晶体管构成的，实际混频器会产生大量输入信号的各种谐波。由于二极管或晶体管的非线性，输出会有众多的其他频率分量，需要用滤波器来选取所需的频率分量。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.单平衡混频器前面讨论的单端二极管混频器虽然容易实现，但在宽带应用中不易保持输入匹配及本振信号与射频信号之间相互隔离，为此提出单平衡混频器。二个单端混频器与一个3dB耦合器可以组成单平衡混频器。,点击此处结束放映,
