无源RFID电感耦合式电子标签获取能量原理

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1、正 文电子标签的分类根据电子标签供电方式的不同，可分为无源标签(Passive tag ),半有源 标签(Semiactive tag)及有源标签(Active tag )。无源标签没有内装电池，在 阅读器的阅读范围之外时，标签处于无源状态，在阅读器的阅读范围之内时标签 从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电能。半无源标签内装有电池，但 电池仅对标签内要求供电维持数据的电路或标签芯片工作所需的电压作辅助支 持，标签电路本身耗电很少标签未进入工作状态前，一直处于休眠状态，相当于 无源标签。标签进入阅读器阅读范围时，受到阅读器发出的射频能量的激励，进 入工作状态时，用于传输通的射频能量与无源标

2、签一样源自阅读器。有源标签的 工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池的能量供应也部分地转换为标签与 阅读器通信所需的射频能量。由于需外带电池，有源标签的成本高于无源标签。 电子标签的组成及获取能量一个完整的RFID芯片包括标签，阅读器，天线三部分而标签芯片由荻取能 量部分，模拟部分，基带控制，存储器等构成，荻取能量部分是其与外界的接口， 是标签芯片的关键部分。它通过与天线产生电磁感应将磁能转化为供内部线路使 用的电压或者电流等电能，同时将交流转化为直流。由于实际状况不同，不同的 芯片获取的能量的方式与原理不用，目前常用的有电感耦合方式(近距离)和电 磁场耦合方式(远距离1M以上),本文主要介

3、绍了电感耦合方式的无源RFID芯片 荻取能量的原理。无线芯片获取能量分为三个步骤：一、天线感知能量，标签芯片天线处于 阅读器的磁场中通过电磁感应，能量发生转换，产生交变电压或者电流。二、能 量预处理，此过程过滤掉一些无用的噪声信号。三、整流，电磁感应产生的交变 电流不能直接为芯片供电，需要将交变电压或者电流转换成直流。电感耦合电感耦合式应答器由一个电子数据做载体，通常由单个微型芯片一级用作天 线的大面积线圏组成。电感耦合应答器几乎都是无源工作的，这意味着：微型芯 片工作所需的全部能量必须由阅读器供应。高频的强磁场由阅读器的天线线圈产 生，这种磁场穿过线圏横裁面和线圏周围的空间。因为使用频率范围

4、内的波长比 阅读器天线和应答器之间的距离大好多倍，可以把应答器到阅读器之间的电磁场 当作交变磁场来对待。发射磁场的一小部分磁力线穿过距离阅读器天线线圏一定距离的应答器天 线线圈。通过感应，在应答器天线线圈上产生一个电压。应答器的天线线圏和电 容器并联构成振荡回路，谐振到阅读器的发射频率。通过该回路的谐振，应答器 线圈上的电压达到最大值。应答器线圈上的电压是一个交流信号，因此需要一个 整流电路将其转化为直流电压，作为电源供给芯片内部使用。能量获取原理RFID系统通过阅读器天线产生的电磁波进行能量传输和信号传输，交变的 电场产生磁场，交变的磁场产生电场。由于随时间变化的电磁场的相互依赖关系, 空间

5、中会产生一系列电磁场。麦克斯韦方程组揭示了电场与磁场相互转化中产生 的对称性，描述了时空中电磁场情况，其具体表示形式如下：7XF=jwB7X/=J-jwD7 DpV 3=Q(1)其中E为电场强度，H为磁场强度，B为磁通量密度，D为电位移矢量，J是体电流 密度。P是体电荷密度。麦克斯韦方程组与电流连续性方程组jwp+VJ二0共同构 成了电磁场的基础理论。坡印廷定理描述电磁场能量守恒定律，在各向同性的线性媒介中电场和磁场 的能量密度方向代表电磁能传递的方向，能量密度的大小代表单位时间流过与之 垂直的单位面积的电磁能量。该能量密度被表示为：S二EXH (2) 根据电磁波的E、H及传播方向构成右旋系的

6、性质可以看出，电磁波的能量 密度S总是沿着电z兹波的传播方向，即能量总是向前传播的。大部分的RFID系 统根据电感耦合原理工作。阅读器与天线间的磁耦合:图1 阅读器与天线之间的磁耦合假设阅读器发出的磁场已经按照一定的强度(H)和方向布满虚空，标签 天线在一定距离内的特定方向上可以通过耦合得到足够多的能量。磁通量和磁通量密度的关系式：e二方力(3)而磁通量密度和磁场强度之间的关系式:B = pH(4)标签天线通常不只一圏面积为A的线圈，因此总的磁通量为：0 = En4n = N $(5)假设标签天线的环状线圈线的半径d小于线圈的半径D,则线圈的电感可以近似 为：L二N%R X I n (D/d)

7、(6)阅读器与天线之间的互感M为:UNiN2 阴.n其中 R1 R2和N1 N2分别为阅读器天线和标签天线的 天线半径和天线圈书，X 为线圈的中心距离。M图2.天线耦合及其等效电路由法拉第电礁感应定律及麦克斯韦方程组，可得输入芯片电压0为:由图可知，i 2 =:曙可得：u2jajMl! 1+空呱(9)rl0二狰時-1_2警-i2R2 二 2 - i2R2(8)图中&为L的内阻，通常很小，Rl为芯片输入电阻，通常较大，为改善耦合效率从而使芯片稳定工作，还需要在标签天线端加入谐振电容，当电线工作在谐振状态 时，输入到芯片内部的0为：u2 二jwMi!1 + ( j 3 L2 + R2)(/ + j

8、 3 C2)产生的电压U2接下来经过预处理和整流之后为要进行的工作提供能量。总结与展望标签工作于阅读器发射电磁场的近场区域，天线类似于变压器的耦合线圏(电感)，标签芯片与阅读器通过天线线圏之间的耦合作用实现能量的传递。天 线上感应到的电压是有限的，应在天线端口并连一个电容后，构成谐振电路，提 高天线的电压值。同时思考怎样降低芯片的功耗，从而降低芯片的工作电压。无 源射频识别(RFID)应答器的研究和设计工作成为现在国内以及国际上的研究热 点，有着非常关键和重要的意义。在将来的一段时期内，随着物联网的多行业的应 用，射频识别系统尤其是应答器会有更广泛的应用。参考文献：1 Steven Shepa

9、rd. RFID Rad i o Frequency Indent ification. NY: Me Graw-HiI I, 20052 李泉林，郭龙岩.综述RFID技术及其应用领域.RFID技术与应用，20063 张益强，郑铭，张其善.远距离无源射频识别系统设计.遥测遥控，20044 胡国腔，张国红.RFID技术存在的问题与对策分析.物流科技，20075 Klaus Finkenzel ler.射频识别(RFID)技术.第二版.北京：电子工业出 版社，20026 丁君，工程电磁场与电磁波.北京。高等教育出版社。20057 姜帆，郭东辉 无源射频识别标签电路的分析.上海交通大学报.2007第s2 期8 李如年基于RFID技术的物联网研究RFID世界网 2011