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1、第二章,电感藕合方式的射频前端,电感耦合方式的基础是电感电容(LC)谐振回路和电感线圈产生的交变磁场，它是射频卡工作的基本原理。（磁藕合） 反向散射耦合方式的理论基础是电磁波传播和反射的形成，它用于微波电子标签。（电磁场藕合） 这两种耦合方式的差异在于所使用的无线电射频的频率不同和作用距离的远近，但相同的都是采用无线电射频技术。 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。,2.1阅读器天线电路,一、3种典型的天线电路,串联谐振回路 并联谐振回路 具有初级和次级线圈的耦合电路,二、串联谐振回路电路组成及谐振条件,三、串联谐振回路谐振特性,(1)谐振时，回路电抗X=0，阻抗Z=
2、R为最小值，且为纯阻。 (2)谐振时，回路电流最大，即 ，且 与 同相。 (3)电感与电容两端电压的模值相等，且等于外加电压的Q倍。,通常，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的电压可比信号源电压大数十到百倍，这是串联谐振时所特有的现象，所以串联谐振又称为电压谐振。 对于串联谐振回路，在选择电路器件时，必须考虑器件的耐压问题。 但这种高电压对人并不存在伤害问题，因为人触及后，谐振条件会被破坏，电流很快就会下降。,四、串联谐振回路能量关系,五、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。 由图2.3谐振曲线可见，回路Q值越高，谐振曲线
3、越尖锐，回路的选择性越好。,2、通频带,谐振回路的通频带:常用半功率点的两个边界频率之间的间隔表示,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。,六、对Q值的理解,(1)电感的品质因数： (2)回路的Q值：,2.2应答器天线电路,一、应答器常用芯片及天线电路的连接,当Ant.B端通过控制开关与Vss端短按时，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、在图2.8(a)和(b)中，电感和电容器都是外接于应答器芯片，整个电路被封装在卡中。在图2.8(c)中，电容被集成在芯片内部，仅需要外接电感线圈。,e5550是工作频率为125 kHz的无源射频卡芯片，其天线电路的连接比较简单，如图2.9所示，电感线圈和电容器为外接。 除此之外，e5550芯片还提供电源（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。,无源应答器的天线电路多采用并联谐振回路。 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。,二、并联谐振回路的
5、电路组成与谐振条件,三、并联谐振回路谐振特性,在并联谐振时，把回路的感抗值（或容抗值）与电阻的比值，称为并联谐振回路的 品质因数 。 在谐振时，并联谐振回路的谐振电阻等于感抗值（或容抗值）的 倍，且具有纯阻性。 当并联谐振时，电感、电容支路的电流为信号源电流 的 倍，所以并联谐振又称为电流谐振。,四、并联谐振回路的谐振曲线和通频带,五、加入负载后的并联谐振回路,2.3 阅读器和应答器之间的电感耦合,一、电感线圈的交变磁场,1、直线载流体的磁场强度H和磁感应强度B 磁场强度 （A/m） 磁感应强度 2、环形短圆柱形线圈的磁感应强度,环形短圆柱形线圈的磁场图,3、矩形线圈的磁感应强度,二、应答器线
6、圈感应电压的计算,1、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。因此，也有人称电感耦合方式为变压器耦合方式。但这种耦合的初、次级是独立可分离的，耦合通过空间电磁场实现。 2、应答器线圈上感应电压的大小和互感M大小成正比，互感M是两个线圈参数的函数，并且和距离的三次方成反比。 3、应答器要能从阅读器获得正常工作的能量，它必须要靠近阅读器，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一样，通常读距离大于写距离）。,三、应答器谐振回路端电压的计算,应答
7、器的等效电路 图,四、应答器直流电源电压的产生,五、负载调制,1、耦合电路模型,串、并联阻抗的等效互换：,2、互感耦合回路的等效阻抗关系,3、电阻负载调制,电阻负载调制时初、次级回路的等效电路图,电阻负载调制数据信息 传输的过程图,4、电容负载调制,电容负载调制时初、次级回路的等等效电路图,2.4功率放大电路,功率放大电路位于RFID系统的阅读器中，用于向应答器提供能量 。 阅读器中的功率放大电路采用谐振功率放大器 。 谐振功率放大器是指用谐振回路作为匹配网络的功率放大器，统称为谐振功率放大器。,功率放大器的分类,按照电流的流通角不同分为三类： A类（或称甲类）：电流的流通角约为360。 B类
8、（或称乙类）：电流的流通角约为180。 c类（或称丙类）：电流的流通角小于180。 还有使电子器件工作于开关状态的功率放大电路分为： D类（或称丁类）：是双功率放大三极管工作于开关状态，有电压开关型、电流开关型等 。 E类（或称戊类） ：是单功率放大三极管工作于开关状态 。,一、B类功率放大器,B类放大器采用两个特性相同的功率管接成推挽电路，其中一管在正半周导通，另一管在负半周导通，而后在负载上将它们的集电极电流波形合成，就可获得完整的正弦波。 因此，B类推挽电路必须具有两管交替工作和输出波形合成两个功能。,典型应用电路,1、电路工作原理 2、功率传输,等效电路,符号含意,是P点的电压， 是晶
9、体管 和 的导通电阻， 是 和 两管发射极所接电阻(10 )， 是电感 的损耗电阻， 是次级反射电阻， 是次级反射电抗， 应答器天线电路对125 kHz谐振，因此 ， 和 也谐振于125 kHz，此时回路自电抗,应答器不在阅读器的能量场之内（即M=0）,增大可以增加作用距离，但受到以下因素的限制： 第一， 增大，对晶体管最大允许工作电流和允许最大功耗的要求提高，因此所用晶体管的价格可能也会提高； 第二， 增大，对直流电源电压的要求也可能要提高，这样阅读器的功率损耗增加，对于采用电池供电的阅读器就更为不利； 第三，对于电子设备，必须满足严格的电磁兼 容标准，其交变磁场强度不能超出规定值。因此，电
10、流 的大小必须合理设计。,应答器进入阅读器的能量场内(M0), ； 随着M的增大， 增加， 和 会下降； 因此，功率放大电路在空载设计好后，不会因应答器的进入造成电子器件的损坏。 要使高，则 越大越好， 越小越好。但 越小则选频的作用变差。 可见，阅读器中功率放大器的中介回路在完成能量传输时，其品质因数 应比较高。,二、D类功率放大器,D类谐振式功率放大器有： 电压开关型、电流开关型等电路形式 。 1准互补电压开关型D类功率放大器 (1)电路结构与工作原理,(2)在 谐振回路的设计上应注意下述问题： 谐振回路应准确调谐于激励信号的基波频率上。若失谐严重，则负载 上的电流波形会产生较大失真，对输
11、出功率和效率均产生不良影响。同时，谐波功率的增加会对满足电磁兼容性能的要求带来不利因素。 如果失谐呈现大的电感性负载，那么失谐会引起晶体管集电极和发射极间出现高峰电压，为保护功率放大管，可在其集电极和发射极间并接一个保护二极管。 负载电阻 可理解为：,从前述中介回路的传输效率的概念考虑，电感线圈 的损耗电阻 ，应小，即中介回路的空载品质因数要高。 当中介回路空载时，电流 较大，其功率损耗为晶体管集电结损耗和电感线圈 的损耗电阻 上的功率损耗。 为防止 过大，可如图2.26所示那样加接电阻 和 ，但功率放大器损耗增加。为减小无负载的功率开销，可采用功率放大电路平时休眠以及定时唤醒或事件唤醒的策略
12、以节约能耗。,2电流开关型D类功率放大器 (1)电路结构与工作原理,(2)电压开关型和电流开关型D类功率放大器的比较,在电压开关型电路中，两管是与电源电压 串联； 在电流开关型电路中，两管是与电源电压 并联； 在电压开关型电路中，两管集电极电流是正弦波，集电极与发射极间电压为方波，流过负载的电流是正弦波。 在电流开关型电路中，两管集电极电流是方波，集电极与发射极间电压为正弦波，负载两端电压是正弦波。 在电流开关型电路中，电流是方波，两管轮流导电是从截止立即转入饱和，或从饱和立即转入截止。 实际上，电流的这种转换是需要时间的。当频率低时，转换时间可以忽略不计，但当工作频率高时，这一开关转换时间便不容忽视，因而工作频率上限受限制。 在电压开关型电路中，两管集电极电流是正弦波，不是突变的，不受频率限制。,三、传输线变压器和功率合成器,并联与推挽电路可认为是功率合成电路，但各单元放大电路不能实现彼此隔离、相互无关。 采用传输线变压器的功率合成器易于解决宽频带、大功率与高效率等一系列问题，因而获得了广泛的应用。,1传输线变压器的工作原理,2. 1:4传输线变压器,3.1：1传输线变压器,4传输线变压器构成的反相功率合成器电路,四、E类功率放大器,表2.2 谐波抑制比,设计电路图,阻抗变换网络,