射频识别RFID实验教程II.docx

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射频识别RFID实验教程II

第2章通信电子线路实验部分

2.1振荡器

振荡器是用于产生周期性振荡信号的电路。

对于振荡器的输出信号，应该由以下指标来衡量：

一是频率，即频率的准确度与稳定度；二是振幅，即振幅的大小与稳定性；三是波形及波形的失真；四是输出功率，要求该振荡器能带动一定的负载。

按照选频网络性质分为LC振荡器和RC振荡器。

2.1.1电感三点式振荡器

图2-1是电感三点式振荡器电路图的原理图。

这种电路的LC并联谐振电路中的电感有首端、中间抽头和尾端三个端点，其交流通路分别与放大电路的集电极、发射极（地）和基极相连，反馈信号取自电感L2上的电压，因此，习惯上将图2-1所示电路称为电感三点式LC振荡电路，或电感反馈式振荡电路。

图2-1电感三点式振荡器电路图

（1）电感三点式振荡器电路振荡频率：

考虑L1、L2间的互感，电路的振荡频率可近似表示为:

（2-1）

（2）电感三点式振荡器电路特点：

工作频率范围为几百KHz～几MHz；

反馈信号取自于L2，其对f0的高次谐波的阻抗较大，因而引起振荡回路的谐波分量增大，使输出波形不理想。

2.1.2电容三点式振荡器

电容三点式振荡电路，又称考毕兹振荡电路。

如图2-2所示。

Q是三极管，其结构与电感三点式振荡电路相似,只是将电感、电容互换了位置。

该电路的交流通路如图2-3所示：

图2-2电容三端式振荡器图

图2-3电容三端式振荡器等效电路图

   电容C1、C2和电感L构成正反馈选频网络，反馈信号取自电容C2两端，故称为电容三点式振荡电路，也称电容反馈式振荡电路。

反馈信号与输入端电压同相，满足振荡的相位平衡条件，LC谐振回路Q值足够高的条件下，电路的振荡频率近似等于回路的谐振频率。

计算公式如下：

    （2-2）

其中:

电容三点式振荡器电路的特点是振荡频率可做得较高,一般可达到100MHz以上,由于C2对高次谐波阻抗小,使反馈电压中的高次谐波成分较小,因而振荡波形较好。

另外当振荡频率较高时，C1,C2的值很小，三极管的级间电容就会对频率的产生影响。

2.1.3晶体振荡器

晶体振荡器是振荡频率受石英晶体控制的振荡器。

晶体振荡器的特点是：

（1）物理、化学性能非常稳定；

（2）具有正压电效应和逆压电效应。

图2－4是一种采用晶体管组成的晶体振荡器。

石英晶体振荡器的选频特性非常好，它有一个极为稳定的串联谐振频率，而且等效品质因数很高。

只有频率等于晶体谐振频率的信号最容易通过，而其他频率的信号均会被晶体所衰减。

图2-413.56MHZ克拉泼电路

由于实验要求产生的载波信号频率为13.56MHz，普通的LC振荡器一般很难达到比10-4更高的频率稳定度，所以要采用石英晶体来做振荡器。

该方案最终通过实验得到有幅度为2.4V，频率为13.56MHz的正弦波信号。

图2－5是本实验系统采用的石英晶体与门电路构成的多谐振荡器。

多谐振荡器是一种自激振荡电路，该电路接通电源后无需外触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形脉冲和方波。

由于多谐振荡器的在工作过程中不存在稳定状态，故又称为无稳态电路。

与非门作为一个开关倒向器件，可用于构成各种脉冲波形的的产生电路。

电路的基本工作原理是利用电容的充放电，当输入电压达到与非门的阀值电压VT时，门的输出状态即发生变化。

因此，电路输出的脉冲波形参数直接取决于电路中阻容元件的数值。

13.56MHz

输出

.

图2-513.56MHz载波信号产生模块

电路中选用了13.56MHz无源晶振,门电路采用74HC04六反相器,也可采用74H00四二输入与非门.74HC04的电源电压为5V,图2-6所示为74HC04的芯片引脚图。

图2-674HC04芯片引脚图

不带负载时振荡电路输出的电压峰峰值可达4～10V，在不添加任何中间电路的情况下很容易驱动末级功放。

如果电路没有振荡，可以在C5上并联一个可调电容,调节可调电容使其振荡，用示波器可以看到稳定的方波信号。

波形虽然不是标准的正弦波，但经过末级功放的选频网络可将波形还原成正弦波。

2.2高频功率放大器

高频功率放大器是为应答器提供能量的电路，因此是整个RFID系统最重要的部分。

衡量功率放大器的指标有两个：

一个是要求输出功率大；一个是要求集电极的耗散功率低，效率高。

功率放大器按照电流导通角θ的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型。

功率放大器电流导通角

越小，放大器的效率

越高。

甲类功率放大器的

，效率

最高只能达到50%，适用于小信号低功率放大，一般作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。

非线性丙类功率放大器的电流导通角

，效率可达到80%，通常作为发射机末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。

非线性丙类功率放大器通常用来放大窄带高频信号（信号的通带宽度只有其中心频率的1％或更小），为了不失真地放大信号，它的负载必须是LC谐振回路。

本实验系统采用由高频晶体管C2655组成的丙类功率放大器,电路结构如图2-7所示。

图2-7高频功率放大电路

2.2.1基本关系式:

当放大器的输入信号

为正弦波时，集电极的输出电流iC为余弦脉冲波。

利用谐振回路LC的选频作用可输出基波谐振电压vc1,电流ic1。

图2-8画出了丙类功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。

分析可得下列基本关系式：

式中，

为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅；

为集电极基波电流振幅；

为集电极回路的谐振阻抗。

集电极输出功率为：

图2-8丙类功放的基极/集电极电流和电压波形

电源VCC供给的直流功率为：

式中，ICO为集电极电流脉冲iC的直流分量。

放大器的效率

为：

2.2.2负载特性：

当放大器的电源电压＋VCC，基极偏压Vb，输入电压（或称激励电压）Vsm确定后，如果电流导通角选定，则放大器的工作状态只取决于集电极回路的等效负载电阻Rq。

谐振功率放大器的交流负载特性如图2-9所示。

图2-9谐振功率放大器的交流负载特性

由图可见，当交流负载线正好穿过静态特性转移点A时，管子的集电极电压正好等于管子的饱和压降VCES，集电极电流脉冲接近最大值Icm。

此时，集电极输出的功率PC和效率

都较高，此时放大器处于临界工作状态。

Rq所对应的值称为最佳负载电阻，用R0表示，即

当Rq﹤R0时，放大器处于欠压状态，如C点所示，集电极输出电流虽然较大，但集电极电压较小，因此输出功率和效率都较小。

当Rq﹥R0时，放大器处于过压状态，如B点所示，集电极电压虽然比较大，但集电极电流波形有凹陷，因此输出功率较低，但效率较高。

为了兼顾输出功率和效率的要求，谐振功率放大器通常选择在临界工作状态。

判断放大器是否为临界工作状态的条件是：

2.2.3自给偏压电路：

丙类功率放大器的基极偏置电压VBE是利用发射极电流的直流分量IEO（≈ICO）在射极电阻上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。

图2-7中由R3和C8组成自给偏压电路,其中C8滤除交流信号,直流分量IEO在R3上产生一个上正下负的电压降,从而给功率放大管基极提供一个负偏压。

减小R3的阻值可以减小负偏压,从而提高功率放大管发射极工作电流和输出信号幅度,但发射极工作电流过大会使三极管被击穿,应注意适当调整。

必要时可以用一个75Ω的固定电阻与一个100Ω的可调电阻替代R3，以适当调整负偏压，使功率放大管集电极输出高频信号的幅度（电压峰－峰值）为22VP-P～23VP-P左右，使其工作在临界工作状态。

2.2.4高频扼流圈：

图2-7中的高频扼流圈L1作为丙类功率放大器的集电极负载和电源接入电路，必须具有较大的高频阻抗和很小的直流电阻，才能保证丙类功率放大器有较高的有效直流电源电压和高频输出信号幅度。

本实验系统中采用导磁率较高的NX-500镍锌铁氧体用线径0.4mm的漆包线绕制30～40圈，电感量为150～200μH。

2.2.5输出谐振回路：

为了不失真地放大信号，非线性丙类功率放大器的负载必须是LC谐振回路。

图2-7中的C9、C10与L2组成输出谐振回路，即选频回路。

这里采用的是LC串联谐振回路。

因为LC串联谐振回路谐振元件上的电压是输入电压的Q倍，采用LC串联谐振回路的目的，是为了在输出天线L2上得到较高的高频信号电压，以取得好的能量传输效果。

在RFID系统中天线是传输能量和信息的一个关键环节。

天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。

RFID系统包括两类天线：

阅读器天线和应答器天线。

阅读器天线用于发射高频电磁波和接收应答器返回的数据信息，应答器天线用于接收阅读器天线发射的高频电磁波，并将磁场能转换为电能，为应答器芯片供电。

RFID天线主要有线圈天线、微带贴片天线、偶极子天线3种基本形式。

作用距离小于1m的近距离RFID天线一般采用工艺简单、成本低的线圈天线。

本实验系统中阅读器天线L2采用线径0.4mm的漆包线绕成直径6cm的环形空芯线圈，线圈圈数为4圈，电感量为3.2μH。

根据谐振公式（2－2），由谐振频率f为13.56MHz和线圈电感值L2约为3.2μH，可计算出C9＋C10约为43pf。

实验中可以通过调整半可调电容C9使输出回路达到谐振状态，使L2上的高频输出信号达到最大值。

2.3信号耦合与应答器供电

2.3.1信号耦合：

根据射频耦合方式的不同，RFID系统的信号耦合方式分为电感耦合（磁耦合）方式和反向散射耦合（电磁场耦合）方式两大类。

人们通常把具有很小作用距离（典型值在lcm之内）的射频识别系统称之为紧耦合系统。

为了正常工作，必须把这种系统的应答器插入阅读器中，或者是放置在一种事先规定的表面上。

紧耦合系统不仅可采用电感式耦合，也可采用磁场式耦合。

从理论上讲，它可以工作在从直流到30MHz范围内的任意频率上，这是因为应答器工作时不必发射电磁波。

这种耦合方式能够提供较大的能量，甚至可以为耗电流较大的微处理器供电。

紧耦合系统应用于安全性要求较高、但对作用距离要求不大的应用场合中，例如电子门锁系统或非接触式计数用的IC卡系统。

具有写／读功能的、作用距离可达1m的系统称为遥控耦合系统。

几乎所有的这种系统都是采用电感（磁）式耦合，目前，在市场上所提供的射频识别系统中至少有90％都属于电感（磁）耦合系统。

作用距离大于lm的射频识别系统称之为远距离系统。

所有远距离系统都是采用电磁波方式工作在超高频和微波范围内。

这类系统根据其物理功能原理被称之为反向散射射频系统。

还有一些工作在微波范围的远距离系统采用的是表面波应答器。

目前，无源式（没有电池的）反向散射应答器的典型工作距离为3m，而有源式（电池支持的）反向散射应答器的作用距离高达15m，甚至更远一些。

对于在应答器和阅读器之间传输数据所需要的能量而言，则是由阅读器所接收的电磁场来提供能量。

如图2－10所示，当应答器进入阅读器产生的交变磁场时，阅读器的电感线圈上会产生感应电压。

当距离够近，应答器天线电路所获得的能量可以供应答器芯片正常工作时，应答器和阅读器才能进入信息交互阶段。

图2－10阅读器与应答器之间的耦合

电感耦合方式的射频载波频率（称为工作频率）为13.56MHz（波长λ为22.1m）和小于135KHz（波长λ为2400m）的频段。

本实验系统采用13.56MHz电感耦合方式。

因为使用频率范围内的波长比阅读器天线和应答器之间的距离大很多倍，所以应答器到天线的电磁场可以作为简单的交变磁场来对待，如图2－11所示。

图2-11电感耦合方式的交变磁场

本实验系统的信号耦合电路由阅读器天线L2和应答器天线L4组成。

阅读器和应答器之间的天线线圈的耦合也可以看作为变压器耦合，L2和L4可以看作为变压器初、次级线圈，只是这两个线圈之间只存在很弱的耦合。

阅读器的天线线圈和应答器之间的功率传输效率与线圈包围的面积、两个线圈的相对角度以及它们之间的距离有关。

这里L2和L4的圈数比为1：

1。

因此，L4的结构和参数与L2完全相同。

不同的是，在阅读器中，L2与C9、C10组成LC串联谐振回路，以求在L2上得到较高的高频输出信号电压；在应答器中，L4与C18组成LC并联谐振回路（见图2－12，图2－13所示），以求在L4上得到较大的高频输出信号电流，以便为应答器芯片提供足够的电能。

这里需要指出的是：

因为电路中存在分布和杂散电容，C18的容量比按电路谐振条件计算所需的43P小。

图2－12LC串联谐振回路与LC并联谐振回路

2.3.2应答器供电：

电感耦合方式RFID系统的应答器基本都是无源的，能量（电源）从阅读器获得。

当应答器天线线圈L4靠近阅读器天线线圈L2时，在L4上产生感应电压，将这个感应电压整流后，即可产生应答器芯片所需要的直流电压。

本实验系统的应答器供电电路如图2－13中所示。

整流电路为标准的桥式整流电路，由4个二极管构成，为了减小功率损耗，二极管最好选择导通压降为0.3V的锗二极管。

此处C19的作用有两个，一是滤除整流后电流中可能含有的高频成分；二是有一定的稳压作用。

整流得到的直流电压通过78L05产生3.5～5V的稳定直流电源为应答器芯片供电。

C20、C21、C22的作用是进一步滤除高频成分和稳压。

选择78L05作为电压调整和稳压元件，也是为了减小功率损耗、得到较高的稳定直流电压，保证应答器芯片能够正常工作。

图2-13应答器整体电路图