RFID的射频前端课件.ppt

,4.1阅读器天线电路4.2应答器天线电路4.3阅读器和应答器之间的电感耦合4.4射频滤波器的设计4.5射频低噪声放大器的设计4.6射频功率放大器的设4.7射频振荡器的设计4.8混频器的设计,第4章RFID的射频前端,第4章RFID的射频前端,RFID系统的通信模型:如图2-5。本章讨论模型中读写器射频前端和电子标签射频前端，射频前端：实现射频能量和信息传输的电路称为射频前端电路，简称为射频前端。先讨论基于电感耦合方式的射频前端电路的构造和原理，再讨论反向散射耦合方式的射频前端。,4.1.1阅读器天线电路的选择4.1.2串联谐振回路4.1.3电感线圈的交变磁场,4.1阅读器天线电路,4.1阅读器天线电路,4.1.1阅读器天线电路的选择 下图所示3种典型天线电路。阅读器选用串联谐振回路电路，简单、成本低，激励采用低内阻恒压源，谐振时可获得最大的回路电流等特点，被广泛采用。,4.1.2串联谐振回路1.电路组成,R1是电感线圈L损耗的等效电阻Rs是信号源的内阻RL是负载电阻回路总电阻值：R=R1+Rs+RL,4.1阅读器天线电路,2.谐振及谐振条件若外加电压，应用复数计算法得到回路电流为,4.1阅读器天线电路,式中，阻抗为Z，电抗为X。,阻抗的模为,相角为,在某一特定角频率w0处，回路的电抗X=0，即,则 为最大值，回路发生谐振。谐振定义：在w0处，输入阻抗的幅值最小R,此时端口电压和电流同向。工程上将这种工作状况称为谐振。谐振条件：X=0。,4.1阅读器天线电路,谐振频率：由（4-4）导出回路产生串联谐振的角频率和频率分别为,f0称为谐振频率。由此式可知，谐振频率由电路的结构和参数决定，与外加激励频率无关。前两式（4-4、4-5）可推得,4.1阅读器天线电路,为谐振回路的特性阻抗。,3.谐振特性 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（X=0），且为纯阻。（2）谐振时，回路电流最大，即 且与电压同相（相角=0）。（3）电感与电容两端电压模值相等，且等于外加电压Q倍。,4.1阅读器天线电路,谐振时，电容C两端的电压为,Q称为回路的品质因数，是谐振时的回路感抗值（或容抗值）与回路电阻值R的比值，由（4-6、7、8）得,4.1阅读器天线电路,（3）电感与电容两端电压模值相等，相位互查1800且等于外加电压Q倍。谐振时，电感L两端的电压为,4.能量关系设谐振时瞬时电流的幅值为 I0m，则瞬时电流为,电感L上存储的瞬时电能为,4.1阅读器天线电路,电容C上存储的瞬时磁能为,由（4-9）得,电感L和电容C上存储的能量和为,电感L和电容C上存储的能量和w：是一个不随时间变化的常数，说明回路中存储的能量保持不变，只在线圈和电容器间相互转换。,4.1阅读器天线电路,谐振时电阻上消耗的平均功率为,在每一周期T（T=,f0 为谐振频率）的时间内，电阻R上消耗的能量为,4.1阅读器天线电路,回路中存储的能量wc+wL与每周期消耗的能量wR之比为,从能量的角度看，品质因数Q,从能量的角度看，品质因数Q可表示为,4.1阅读器天线电路,5.谐振曲线和通频带 1）谐振曲线：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。,4.1阅读器天线电路,取其模值，得,式中，表示偏离谐振的程度，称为失谐量。仅是附近（即为小矢楷量的情况）时成立，而 具有失谐量的定义称为广义失谐。,根据式（4-18）可画出谐振曲线，如图4-3所示。,串联谐振回路的谐振曲线,4.1阅读器天线电路,由图知：回路Q值越高，谐振曲线越尖锐，回路的选择性越好。,2）通频带 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0.707。,串联谐振回路的通频带,4.1阅读器天线电路,通频带BW为,由此可见，Q值越高，通频带越窄（选择性越强）。在RFID技术中，为保证通信带宽在电路设计时应综合考虑Q值的大小。,4.1阅读器天线电路,6、对Q值的理解1）电感的Q值在烧制或选用电感时，要测试电感的QL值,以满足电路设计要求。通常用测试仪器Q表测量。,R1为电感的损耗电阻,4.1阅读器天线电路,6、对Q值的理解2）回路的Q值在回路Q值计算时，必须考虑源内阻RS和负载电阻RL的作用，串联谐振回路工作时必须有源来激励，必须考虑源内阻RS和负载电阻RL，电容损耗低，可以忽略,4.1阅读器天线电路,4.1.3电感线圈的交变磁场 1.磁场强度H和磁感应强度B 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磁场，如图4-5所示。,4.1阅读器天线电路,4.1.3 电感线圈的交变磁场 1.磁场强度H和磁感应强度B 对于直线载流体，在半径为a的环行磁力线上，磁场强度H是恒定的，磁场强度H为,4.1阅读器天线电路,式中，i为电流，a为半径。磁感应强度B和磁场强度H的关系式为,式中，为真空磁导率，是相对磁导率，说明材料的磁导率是 的多少倍。,2.环形短圆柱形线圈的磁感应强度 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，如图4-6所示。离线圈中心距离为r处P点的磁感应强度的大小为,4.1阅读器天线电路,式中，为电流，N1为线圈匝数，a为线圈半径，r为离线圈中心的距离，为真空磁导率。,1）磁感应强度B和距离r的关系(1)当 时，由（4-25）可知，在 范围内磁场强度几乎是不变的，当r=0时，公式简化为,4.1阅读器天线电路,(2)当 时，由（4-25）可改写为,4.1阅读器天线电路,上式表面当 时，磁感应强度的衰减和距离r的3次方成正比。,磁感应强度B和距离r的关系 综上所述为：从线圈中心到一定距离磁场强度几乎不变，而后急剧下降，其衰减大约为60 dB/10倍距离。,此结论适合近场，近场是指从线圈中心距离小于 的范围,4.1阅读器天线电路,式中 为波长。,2）最佳线圈半径a设r为常数，并简单地假定线圈中电流不变，讨论a和BZ的关系。,上式对a求导，求Bz的极值，可得,4.1阅读器天线电路,上式表明，在距离r处，当线圈半径 时，可获得最大场强。也就是说，线圈半径a一定时，在 处可获得最大场强。,3.矩形线圈的磁感应强度 矩形线圈在阅读器和应答器的天线电路中经常被采用，在距离线圈为r处的磁感应强度B的大小为,4.1阅读器天线电路,式中，为电流，a和b为矩形的边长，N为线圈匝数。,4.1.1阅读器天线电路的选择4.1.2串联谐振回路4.1.3电感线圈的交变磁场,4.1阅读器天线电路（小结）,4.1阅读器天线电路4.2应答器天线电路4.3阅读器和应答器之间的电感耦合4.4射频滤波器的设计4.5射频低噪声放大器的设计4.6射频功率放大器的设4.7射频振荡器的设计4.8混频器的设计,第4章RFID的射频前端,4.2.1应答器天线电路的连接4.2.2并联谐振回路4.2.3串、并联阻抗等效互换,4.2应答器天线电路,4.2应答器天线电路,4.2.1应答器天线电路的连接1）MCRF355和MCRF360芯片的天线电路 Microchip公司的13.56MHz应答器（无源射频卡）芯片MCRF355和MCRF360的天线电路接线示意图如图4-8所示。,当Ant.B端通过控制开关与Vss端短接时，谐振回路与工作频率失谐，此时应答器芯片虽然已处于阅读器的射频能量场之内，但因失谐无法获得正常工作所需能量，处于休眠状态。当Ant.B端开路时，谐振回路谐振在工作频率（13.56 MHz）上，应答器可获得能量，进入工作状态。,4.2应答器天线电路,2）e5550芯片的天线电路频率为125kHz的无源射频卡芯片，如图4-9所示，电感线圈和电容器为外接。还提供电源（Vdd和Vss）和测试（Testl，Test2，Test3）引脚，供测试时快速编程和校验，在射频工作时不用。,4.2应答器天线电路,小结：从上面两例可以看到，无源应答器的天线电路多采用并联谐振回路。从后面并联谐振回路的性能分析知，并联谐振称为电流谐振，在谐振时，电感和电容支路中电流最大，即谐振回路两端可获得最大电压，这对无源应答器的能量获取是必要的。,4.2应答器天线电路,4.2.2并联谐振回路1.电路组成与谐振条件串联谐振回路适用于恒压源，即信号源内阻很小的情况。如果信号源采用恒流源（内阻大），应采用并联谐振回路。,4.2应答器天线电路,图4-10（a）中并联回路两端间的阻抗为,4.2应答器天线电路,如图4-10（b）所示。得另一种形式并联谐振回路，导纳Y为,当并联谐振回路的电纳b=0时，回路两端电压,4.2应答器天线电路,由b=0，可以推得并联谐振条件为,4.2应答器天线电路,2.谐振特性（1）谐振电阻Rp为纯阻性。由 得谐振电阻Rp为,谐振电阻、Qp、感抗值、容抗值的关系：谐振电阻等于感抗值（或容抗值）的Qp倍，且具纯阻性。,4.2应答器天线电路,（2）谐振时电感和电容中电流的幅值为外加电流源的Qp倍。电容支路的电流 为,4.2应答器天线电路,式中，为谐振回路两端电压同样可求得,电感支路的电流 为,由以上两式知，并联谐振时，电感、电容两支路的电流为信号电流 倍，所以称为电流谐振。,3.谐振曲线和通频带 类似与串联谐振分析方法，由4-33、35、37求出并联谐振回路的电压,4.2应答器天线电路,谐振时回路端电压,4.2应答器天线电路,根据上两式有,取其模值有,相角为,并联谐振回路和串联谐振回路的谐振曲线形状相同，但其纵坐标为电压幅值比。,并联谐振回路的通频带带宽也与串联谐振回路相同。,4.2应答器天线电路,并联谐振回路的通频带带宽为,4.加入负载后的并联谐振回路考虑源内阻和负载电阻后并联谐振回路等效电路图如下图,4.2应答器天线电路,4.2.3串、并联阻抗等效互换 为了分析电路的方便，经常需要用到串、并联阻抗等效互换。所谓“等效”就是指在电路的工作频率为f时，从图4-12的AB端看进去的阻抗相等。,4.2应答器天线电路,4.2应答器天线电路,串联回路的品质因数,4.2应答器天线电路,用串联回路的品质因数表示4-46和4-47后，可得,4.1阅读器天线电路4.2应答器天线电路4.3阅读器和应答器之间的电感耦合4.4射频滤波器的设计4.5射频低噪声放大器的设计4.6射频功率放大器的设4.7射频振荡器的设计4.8混频器的设计,第4章RFID的射频前端,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,阅读器和应答器之间的电感耦合关系如下图所示。法拉第定理指出，当时变磁场通过一个闭合导体回路时，在导体上会产生感应电压，并在回路中产生电流。,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,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。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芯片正常工作时，阅读器和应答器才能进入信息交互阶段。,4.3.1应答器线圈感应电压的计算4.3.2应答器谐振回路端电压的计算4.3.3应答器直流电源电压的产生4.3.4负载调制,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,4.3.1应答器线圈感应电压的计算 应答器线圈上感应电压的大小和穿过导体所围面积的总磁通量的变化率成正比。感应电压表示为,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,式中，N2是应答器线圈匝数，为每匝线圈的磁通量，并且,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,磁通量和磁感应强度之间的关系,磁感应强度：是由阅读器线圈产生，大小由式（4-25）给出；S：是线圈所围面积；“”:表示内积算，为磁感应强度矢量和面积S表面法线之间夹角的余弦函数值。,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,如图4-14所示，应答器线圈和阅读器线圈平行时，夹角为0o，cosa=1。将（4-25）和（4-55）代入（4-53）中，可得,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,i1：为阅读器线圈电流；N1：为阅读器线圈匝数；a：以为阅读线圈半径；r：为两线圈距离；M：为阅读器与应答器线圈间的互感；S：为应答器线圈面积。,(式4-57)结论：阅读器线圈和应答器线圈之间的耦合像变压器耦合一样，初级线圈（阅读器线圈）的电流产生磁通，该磁通在次级线圈（应答器线圈）产生感应电压。电感耦合方式为变压器耦合方式。这种耦合的初、次级是独立可分离的，耦合通过空间电磁场实现。,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,(式4-57)结论：应答器线圈上感应电压的大小和互感大小成正比，互感是两个线圈参数的函数，并且和距离的三次方成反比。因此，应答器要能从阅读器获得正常工作的能量，必须要靠近阅读器。其贴近程度是电感耦合方式RFID系统的一项重要性能指标，也称为工作距离或读写距离（读距离和写距离可能会不同，通常读距离大于写距离）。,4.3 阅读器和应答器之间的电感耦合,4.3.2 应答器谐振回路端电压的计算,4.3 阅读器和应答器之间的电感耦合,应答器天线电路表示如下图等效电路。v2 是电感线圈 中的感应电压；R2是 L2的损耗电阻；C2 是谐振电容；RL是负载；是应答器谐振回路两端的电压。应答器在 达到一定电压值后，通过整流电路，产生应答器芯片正常工作所需的直流电压。,4.3.2 应答器谐振回路端电压的计算,4.3 阅读器和应答器之间的电感耦合,在此回路L2、C2、RL并联，V2 在L2支路。在4.2.3节介绍串、并联阻抗等效互换的方法，因此，把RL和C2的并联变换为等效C2和 的串联。左图的电路可等效为如右图示的电路。,由于L2，C2回路的谐振频率和阅读器电压v1的频率相同，也就是和v2的频率相同，因此电路处于谐振状态，所以有,4.3 阅读器和应答器之间的电感耦合,因为，所以有,式中,BZ 为距离阅读器电感线圈为r处的磁感应强度值 以上两式可用于标签和阅读器之间的耦合回路参数设计计算。,4.3 阅读器和应答器之间的电感耦合,例4-1 MCRF355芯片工作于13.56 MHz，其天线电路封装在ID-1型卡（符合ISO7810标准）中，卡尺寸为85.6mm54mm0.76mm，当MCRF355芯片天线电路上具有4V（峰值）电压时，器件可达到正常工作所需的2.4V直流电压，设其天线电路的Q值为40，线圈圈数N2=4，试求阅读器电感线圈的电流值。解:（1）根据式（4-61）计算 BZ值。忽略式中表示方向的负号，BZ为,4.3 阅读器和应答器之间的电感耦合,代入下列数值：f=13.56MHz，N2=4，S=85.654mm2=4610-4m2，Q=40，=4v（峰值）故BZ的有效值为,4.3 阅读器和应答器之间的电感耦合,4.3 阅读器和应答器之间的电感耦合,(2)按式（4-62）计算阅读器线圈的电流。设阅读器应具有的作用距离为a=38cm，阅读器线圈半径为r=0.1m，则,即线圈圈数N1=1时电流为430mA,N1=2式电流为 210mA。,4.3.3应答器直流电源电压的产生,对于无源应答器，其供电电压必须从耦合电压v2获得。从耦合电压v2到应答器工作所需直流电压Vcc的电压变换过程如下图所示。,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,4.3.3应答器直流电源电压的产生,1.整流与滤波 天线电路获得的耦合电压经整流电路后变换为单极性的交流信号，再经滤波电容Cp滤去高频成分，获得直流电压。滤波电容Cp同时又作为储能器件，以获得较强的负载能力。,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,4.3.3应答器直流电源电压的产生,1.整流与滤波 下图所示为一个采用MOS管的全波整理电路，滤波电容Cp集成在芯片内。Cp容量选得较大，则电路储能及电压平滑作用较好，但是集成电路制作代价大。因此，Cp容量不能选择得过大，通常在百pF数量级。,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,2.稳压电路 滤波电容Cp两端输出的直流电压是不稳定的，当应答器（卡）与阅读器的距离变化时，随应答器线圈L2上耦合电压的变化而变化，而应答器内的电路需要有较高稳定性的直流电源电压，因此必须采用稳压电路。稳压电路在众多书籍中都有介绍，本节不再赘述。,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,4.3.4负载调制 在RFID系统中，应答器向阅读器的信息传输采用负载调制技术，下面介绍基于电感耦合方式的负载调制原理,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,将图4-13改画为耦合电路形式，如图4-19（a）所示。图中，V1角频率为w的正弦电压；RS 为其内阻；R1是电感 L1的损耗电阻；M是互感；R2 是电感L2 的损耗电阻；是等效负载电阻。在图中还标明了线圈的同名端关系。很明显，初级回路代表阅读器天线电路，次级回路代表应答器的天线电路，它们通过互感M实现耦合。,耦合系数k是反映耦合回路耦合程度的重要参数,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,为分析电路方便起见，将图4-19（a）C2 与RL 的并联电路转化为 和 的串联电路，这样便可得到如图4-19（b）所示的电路，这是一个互感耦合串联型回路。在次级（应答）回路中，品质因数Q都大于10，满足Q1的条件，因此满足条件因此。,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,2.互感耦合回路的等效阻抗关系 图4-19（b）中初级和次级回路的电压方程可写为,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,式中，Z11为初级回路自阻抗，Z22为次级回路的自阻抗，,从（4-64和4-65）可以求得初级回路电流为,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,从（4-64和4-65）可以求得次级回路电流为,则（4-66和4-67）可表示为,式中，,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,由上两式，根据电路关系，可以画出下图所示初级和次级回路的等效电路。,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,由于Zf1是互感M和次级回路阻抗Z22的函数，并出现在初级等效回路中，故Zf1称为次级回路对初级回路的反射阻抗，它由反射电阻Rf1和反射电抗Xf1两部分组成，即Zf1=Rf1+jXf1。类似地，Zf2称为初级回路对次级回路的反射阻抗，由反射电阻Rf2和反射电抗Xf2组成，即Zf2=Rf2+jXf2。这样，初、次级回路之间的影响可以通过反射阻抗的变化来进行分析。,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,3.电阻负载调制 负载调制是应答器向阅读器传输数据所使用的方法。在电感耦合方式的RFID系统中，负载调制有电阻负载调制和电容负载调制两种方法。,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,电阻负载调制的原理电路下图所示，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。,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,二进制数据编码信号控制开关S。当二进制数据编码信号为1时，设开关S闭合，应答器负载电阻为RL和Rmod并联；当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。电阻负载调制时，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）。显然，RL/Rmod小于RL。,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,图(a)的等效电路如图(b)所示，在初级等效电路中，RS是源电压 V1的内阻，R1是电感线圈L1的损耗电阻，Rf1是次级回路的反射电阻，Xf1是次级回路的反射电抗。R11=RS+R1,X11=jwL1-1/(wC1)。在次级等效电路中，V2=-jwMV1/Z11，R2电感线圈L2的损耗电阻，Rf2是初级回路反射电阻，Xf2是初级回路的反射电抗，RL是负载电阻，Rmod负载调制电阻。,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,1）次级回路等效电路中的端电压,设初级回路处于谐振状态，则其反射电抗Xf2=0，故,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,RLm为负载电阻RL和负载调制电阻Rmod的并联值。当进行负载调制时，RLmRL，因此电压VCD下降。在实际电路中，电压的变化反映为电感线圈L2两端可测的电压变化。该结果也可从物理概念上获得，即次级回路由于Rmod的接入，负载加重，Q值降低，谐振回路两端电压下降。,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,由次级回路的阻抗表达式,得知在负载调制时Z22下降，可得反射阻抗Zf1上升（在互感M不变的条件下）。若次级回路调整于谐振状态，其反射电抗Xf1=0，则表现为反射电阻Rf1的增加。,2）初级回路等效电路中的端电压,Zf1=Rf1+jXf1,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,Rf1不是一个电阻实体，它的变化体现为电感线圈L1两端的电压变化，即等效电路中端电压VAB的变化。在负载调制时，由于Rf1增大，所以VAB增大，即电感线圈L1两端的电压增大。由于Xf1=0（与频率和相位无关），所以电感线圈两端电压的变化表现为幅度调制。,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,3）电阻负载调制数据信息传输的原理前面分析得：电阻负载调制数据信息传输的过程如图所示。应答器的二进制数据编码信号通过电阻负载调制方法传送到阅读器，电阻负载调制过程是一个调幅过程。,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,4.电容负载调制电容负载调制是用附加的电容器Cmod代替调制电阻Rmod。电容负载调制原理图如下图所示。其中，R2是电感线圈L2的损耗电阻,设互感M不变，下面分析Cmod接入的影响。电容负载调制和电阻负载调制的不同：Rmod接入不改变应答器回路的谐振频率，因此，阅读器和应答器在工作频率下都处于谐振状态；Cmod接入后应答器回路失谐，其反射电抗引起阅读器回路失谐。分析方法和电阻负载类似。电路如下图所示,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,分析次级和初级等效回路的端电压可知：电容Cmod的接入，反射阻抗Zf1 上升，但是此时应答器回路失谐，因此Zf1 包含反射电抗Xf1部分。因而电感线圈L1两端的电压增加，但此时电压不仅是幅度调制，也存在相位调制。电容负载调制：数据信息的传输过程基本同图4-23所示，只是阅读器线圈两端电压会产生相位调制的影响，但该相位调制只要能保持在很小的情况下，就不会对数据的正确传输产生影响。,4.3阅读器和应答器之间的电感耦合,4.1阅读器天线电路4.2应答器天线电路4.3阅读器和应答器之间的电感耦合4.4射频滤波器的设计4.5射频低噪声放大器的设计4.6射频功率放大器的设4.7射频振荡器的设计4.8混频器的设计,第4章RFID的射频前端,4.4 射频滤波器的设计,低频RFID系统工作原理:采用电感耦合原理其采用变压器原理模型。属于近距离RFID系统。微波RFID系统工作原理：采用电磁反向散射方式工作，其采用雷达原理模型，发射电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息。属于远距离RFID系统。,4.4 射频滤波器的设计,微波反向散射方式射频前端：主要包括发射机电路、接收机电路和天线。,4个基本组成电路：滤波器、放大器、混频器和振荡器 工作过程：需要处理接收和发送射频信号两过程。,4.4.1滤波器的类型4.4.2低通滤波器原型4.4.3滤波器的变换及集总参数滤波器4.4.4分布参数滤波器的设计,4.4射频滤波器的设计,4.4.1滤波器的类型,4.4 射频滤波器的设计,4种理想滤波器类型：低通、高通、带通和带阻滤波器，如下图所示。,4.4.1滤波器的类型4.4.2低通滤波器原型4.4.3滤波器的变换及集总参数滤波器4.4.4分布参数滤波器的设计,4.4射频滤波器的设计,4.4.2低通滤波器原型低通滤波器原型：源阻抗为1欧姆，截止频率为1的归一化设计 低通滤波器原型作用：设计滤波器的基础，根据低通滤波器原型变换可得集总元件低通、高通、带通、带阻滤波器以及分布参数滤波器。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，用dB表示的插入损耗定义为,4.4 射频滤波器的设计,插入损耗作用: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。滤波器的响应是用插入损耗来表征。,4.4.2低通滤波器原型 根据不同插入损耗表征的4种低通滤波器原型：巴特沃斯低通滤波器原型 切比雪夫低通滤波器原型 椭圆函数低通滤波器原型 线性相位低通滤波器原型,4.4 射频滤波器的设计,1巴特沃斯低通滤波器原型 定义：通带内插入损耗随频率变化最平坦，这种滤波器称为巴特沃斯滤波器，也称为最平坦滤波器。响应函数：最平坦响应的数学表示式为,4.4 射频滤波器的设计,式中，N为滤波器的阶数，wc为截止角频率，一般选k=1，这样w=wc 时,1）滤波器的阶数由式（4-77）看出，N值越大，阻带内衰减随着频率增大得越快。设计低通滤波器时，对阻带内的衰减有数值上的要求，由此可以计算出N值。,4.4 射频滤波器的设计,2）滤波器的结构,4.4 射频滤波器的设计,低通滤波器原型构成：由集总元件电感和电容构成。假设源内阻为1欧，截止频率wc=1。下表4-2给出了元件取值，g0为源内阻，gN+1为负载阻抗。,4.4 射频滤波器的设计,图4-30 所示是与表4-2 相对应的滤波电路，图（a）和图（b）能给出同样的响应。它们互为共生电路。,2切比雪夫低通滤波器原型 定义：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。响应函数：低通等波纹响应的数学表示式为 式中，是切比雪夫多项式。切比雪夫多项式特点：,4.4 射频滤波器的设计,3椭圆函数低通滤波器原型 定义：在通带和阻带内都有等波纹响应的滤波器称为椭圆函数滤波器。如图4-33所示。应用：在有些应用中需设定一个最小阻带衰减获得较好的截止陡度，这种类型的滤波器称为椭圆函数滤波器。,4.4 射频滤波器的设计,4线性相位低通滤波器原型 定义：线性的相位衰减响应。特点：线性相位滤波器在阻带内振幅衰减较平缓。应用：但在有些应用中，线性的相位响应比陡峭的阻带振幅衰减响应更为关键。,4.4 射频滤波器的设计,54种低通滤波器原型的比较 最平坦响应和等波纹响应两者在阻带内都有单调上升衰减。最平坦响应和等波纹和椭圆函数都是设定振幅响应，线性相位为线性的相位响应。,4.4 射频滤波器的设计,4.4.1滤波器的类型4.4.2低通滤波器原型4.4.3滤波器的变换及集总参数滤波器4.4.4分布参数滤波器的设计,4.4射频滤波器的设计,4.4.3滤波器的变换及集总参数滤波器4.4.2节讨论的低通滤波器原型是假定源阻抗为1欧姆，截止频率为1的归一化设计，为了得到实际的滤波器，进行参数进行反归一化设计 作用：利用低通滤波器原型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滤波器的变换分类：阻抗变换和频率变换，以便满足实际源阻抗和实际工作频率的要求。,4.4 射频滤波器的设计,1）阻抗变换 低通滤波器原型，除偶数阶切比雪夫外，源阻抗和负载阻抗均为1。如果源阻抗和负载阻抗不为1，须对所有阻抗表达式做比例变换 变换方法：实际源电阻乘低通滤波器原型阻抗值。若源电阻为Rs，令变换后滤波器的元件值用带撇号的符号表示，则,4.4 射频滤波器的设计,2）频率变换 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，将低通滤波器原型变换为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。,4.4 射频滤波器的设计,2低通滤波器原型变换为低通滤波器 将低通原型由c=1改变为c,频率作如下变换,4.4 射频滤波器的设计,当频率和阻抗都变换时，低通滤波器的元件值 和 为,4.4 射频滤波器的设计,3低通滤波器原型变换为高通滤波器变换为高通滤波器，频率作如下变换,4.4 射频滤波器的设计,当频率和阻抗都变换时，高通滤波器的元件值,4.4 射频滤波器的设计,4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变换到带通和带阻响应。图4-37为低通原型到带通和带阻滤波器的频率变换。,4.4 射频滤波器的设计,4.4.1滤波器的类型4.4.2低通滤波器原型4.4.3滤波器的变换及集总参数滤波器4.4.4分布参数滤波器的设计,4.4射频滤波器的设计,4.4.4分布参数滤波器的设计 低频：滤波器是由集总元件电感和电容构成，频率不高时，集总元件滤波器工作良好。高频：频率高于500Mz时，滤波器通常由分布参数元件构成 原因：高频时电感和电容应选的元件值过小，寄生参数的影响，小的电感和电容不能用集总参数元件；高频时工作波长与滤波器元件的物理尺寸相近，元件间距离不可忽视，需要考虑分布参数效应。,4.4 射频滤波器的设计,3种分布参数滤波器：微带短截线低通滤波器 阶梯阻抗低通滤波器 平行耦合微带线带通滤波器,4.4 射频滤波器的设计,1微带短截线低通滤波微带短截线低通滤波器实现形式：采用微带短截线实现 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：将各滤波器元件分隔开。,4.4 射频滤波器的设计,1）理查德变换 理查德变换：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。,4.4 射频滤波器的设计,2）科洛达规则 科洛达规则：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，将串联短截线变换为并联短截线，将短截线在物理上分开。在科洛达规则中附加的传输线段称为单位元件，单位元件是一段传输线。,4.4 射频滤波器的设计,2阶梯阻抗低通滤波器 阶梯阻抗低通滤波器也称为高低阻抗低通滤波器，由很高和很低特性阻抗的传输线段交替排列而成。结构紧凑、简洁的电路，便于设计和实现。,4.4 射频滤波器的设计,3平行耦合微带线带通滤波器 平行耦合微带传输线由两个无屏蔽的平行微带传输线紧靠在一起构成，由于两个传输线之间电磁场的相互作用，在两个传输线之间会有功率耦合，这种传输线也因此称为耦合传输线。平行耦合微带线可以构成带通滤波器，这种滤波器由多个l/4波长耦合线段构成，是一种常用的分布参数带通滤波器。,4.4 射频滤波器的设计,4.4.1滤波器的类型4.4.2低通滤波器原型4.4.3滤波器的变换及集总参数滤波器4.4.4分布参数滤波器的设计,4.4射频滤波器的设计,4.1阅读器天线电路4.2应答器天线电路4.3阅读器和应答器之间的电感耦合4.4射频滤波器的设计4.5射频低噪声放大器的设计4.6射频功率放大器的设4.7射频振荡器的设计4.8混频器的设计,第4章RFID的射频前端,4.5.1放大器的稳定性4.5.2放大器的功率增益4.5.3放大器输入输出驻波比4.5.4放大器的噪声,4.5射频低噪声放大器的设计,4.4 低噪声放大器的设计,4个基本组成电路：滤波器、放大器、混频器和振荡器接收机和发射机前端需要放置低噪声放大器，本节介绍其设计方法。将讨论设计中最重要因素：稳定性、增益、失配和噪声,4.5.1 放大器的稳定性 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），维持正常放大的能力。原因：微波由于反射波的存在：射频放大器在某些工作频率或终端条件下有产生振荡的倾向，不再发挥放大器的作用。,4.4 低噪声放大器的设计,1放大器稳定的定义 放大器的二端口网络如图4-47所示图中传输线上有反射波传输，源的反射系数、负载的反射系数、二端口网络输入端的反射系数、二端口网络输出端的反射系数,。,4.4 低噪声放大器的设计,。,稳定性判别：放大器稳定意反射系数的模小于1，即如果反射系数的模大于1，传输线上反射波的振幅将比入射波的振幅大，这将导致不稳定产生。,4.4 低噪声放大器的设计,2.放大器稳定性判别的图解法复平面上讨论稳定区域，用图解的方法给出稳定区域。,4.4 低噪声放大器的设计,3放大器绝对稳定判别的解析法 用解析法判别放大器的稳定性。,k称为稳定性因子。绝对稳定要求：,4.4 低噪声放大器的设计,4.5.2放大器的功率增益 增益：对输入信号进行放大，是放大器最重要的任务。1转换功率增益 放大器的转换功率增益为,4.4 低噪声放大器的设计,晶体管增益,输入网络有效增益,输出网络有效增益,4.5.3放大器输入输出驻波比 电压驻波比：表示放大器输入端阻抗与输出端阻抗与系统要求阻抗的匹配程度，一般为50 信源与晶体管之间及晶体管与负载之间的失配程度对驻波比有影响，放大器的输入和输出电压驻波比必须保持在特定指标之下。放大器输入、输出电压驻波比为,4.4 低噪声放大器的设计,4.5.4放大器的噪声放大器的基本要求：低噪声下对信号放大。先介绍噪声的表示方法和级联网络的噪声特性，然后在史密斯圆图上画出等噪声系数圆。1噪声系数（1）输入端电阻R在放大器输出端产生热噪声，则放大器的噪声系数定义为,4.4 低噪声放大器的设计,2级联网络的噪声系数（1）先考虑两个放大器的级连。两级放大器的总噪声系数F为,上式表面：级联网络第一级的噪声系数和增益对系统总噪声系数的影响大（2）下面考虑n个放大器的级连,4.4 低噪声放大器的设计,上式表面：多级级连，仅与第一级对总噪声有较大影响，其他级影响小。,4.1阅读器天线电路4.2应答器天线电路4.3阅读器和应答器之间的电感耦合4.4射频滤波器的设计4.5射频低噪声放大器的设计4.6射频功率放大器的设4.7射频振荡器的设计4.8混频器的设计,第4章RFID的射频前端,4.6.1A类放大器的设计4.6.2交调失真,4.6射频功率放大器的设计,4.6射频功率放大器的设计,功率放大器分类：A类放大器、AB类放大器、B类放大器或C类放大器。RFID微波系统放大器选择：常使用A类功率放大器。因为工作频率大于1GHz时用A类 下面讨论A类功率放大器的设计，并讨论交调失真。,4.6.1 A类放大器的设计 A类放大器定义：也称为甲类放大器，晶体管在整个信号的周期内均导通。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 50。A类功率放大器的设计方法（1）利用小信号S参量设计（2）利用大信号S参量设计（3）利用 和 设计（4）利用等功率线设计,4.6射频功率放大器的设计,4.6.2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，在输出端会产生附加频率分量，会引起输出信号的失真 假设输入信号的频率为f1和f2。输入信号写为 输出信号为 上式知,输出信号中除有频率成分f1和f2外，还会产生新的频率分量2f1、2f2、3f1、3f2、f1f2、2f1f2、2f2f1等。,4.6射频功率放大器的设计,新的频率分量分类为:二次谐波：2f1、2f2 三次谐波：3f1、3f2二阶交调：f1f2 三阶交调：2f1f2、2f2f1 新的频率分量是非线性系统失真的产物，称为谐波失真或交调失真。,4.6射频功率放大器的设计,4.1阅读器天线电路4.2应答器天线电路4.3阅读器和应答器之间的电感耦合4.4射频滤波器的设计4.5射频低噪声放大器的设计4.6射频功率放大器的设4.7射频振荡器的设计4.8混频器的设计,第4章RFID的射频前端,4.7.1振荡器的基本模型4.7.2射频低频段振荡器4.7.3微波振荡器,4.7射频振荡器的设计,4.7射频振荡器的设计,振荡器：将直流功率转化成射频功率，在特定的频率点建立起稳定的正弦振荡，成为所需的射频信号源。低频振荡器：考毕兹（Colpitts）、哈特莱（Hartley）等结构都可以构成低频振荡器，使用晶体谐振器来提高低频振荡器的频率稳定性。微波振荡器：使用工作于负阻状态的二极管和晶体管，并利用腔体、传输线或介质谐振器来构成振荡器，频率高达100GHz。,4.7.1振荡器的基本模型 振荡器的核心：在特定频率上实现正反馈的环路。图4-53描述了基本工作原理，具有电压增益A的放大器输出电压为V0，输出通过传递函数为H的反馈网络，加到电路的输入电压Vi，输出电压表示为,4.7射频振荡器的设计,用输入电压表示的输出电压为,振荡器没有输入信号，若要得到非零的输出电压，式（4-124）的分母必须为零，这称为巴克豪森准则（Barkhausen Criterion）。振荡器由起振到稳态依赖于不稳定电路。,4.7射频振荡器的设计,4.7.2射频低频段振荡器 低频段振荡电路：采用双极结型晶体管（BJT）或场效应晶体管（FET），可以是共发射极/源极、共基极/栅极或共集电极/漏极结构，用多种形式反馈网络。形成了考毕兹（Colpitts）、哈特莱（Hartley）等振荡电路,4.7射频振荡器的设计,4.7.3微波振荡器 当工作频率接近1GHz时，电压和电流的波动特性将不能被忽略，需要采用传输线