《射频识别（RFID）原理与应用》期末复习 RFID第二章 RFID基础与前端（知识点总结+习题巩固）

RFID第二章 RFID基础与前端

知识点总结

一、电磁理论基础

1. 基本电路参数

概念	定义与公式	物理意义
容抗（XC）	$X_C=\frac{1}{2\pi fC}$	电容对交流电的阻碍作用，与频率 ( f )、电容 ( C ) 成反比
感抗（XL）	$X_L=2\pi fL$	电感对交流电的阻碍作用，与频率 ( f )、电感 ( L ) 成正比
阻抗（Z）	$Z=\sqrt{R^2+(X_L-X_C{)}^2}$	电路对交流电的总阻碍，包含电阻 ( R ) 和电抗 ( X )

• 相位关系：
  • 感抗使电流滞后电压90°，容抗使电流超前电压90°。
  • 谐振时 $X_L=X_C$，电压电流同相位（阻抗最小，电流最大）。

2. 天线场区划分

场区类型	分界条件	特性
无功近场区	$R<\lambda /2\pi$	能量以磁场/电场形式转换，不向外辐射（感应场）
辐射近场区	$\lambda /2\pi <R<2D^2/\lambda$	过渡区域，方向性图形成中
辐射远场区	$R>2D^2/\lambda$	能量以电磁波形式辐射（反向散射耦合基础）

• 关键参数：
  • $R$：观测点到天线的距离
  • $D$：天线最大尺寸
  • $\lambda$：电磁波波长（$\lambda =c/f$，$c=3\times 10^8\text{m/s}$）

二、电感耦合系统原理

1. 能量与数据传输

• 能量传递：
  阅读器天线产生交变磁场 → 标签电感线圈感应电压 → 整流滤波后为标签供电。

  • 标签功耗：典型值低至 5~50 μW，工作电压约 1.2V。
  • 距离限制：功耗越低，识别距离越远（无源标签典型距离＜1米）。

• 数据传输：

  调制方式	实现原理	应用场景
  电阻负载调制	开关控制并联电阻 $R_{\text{mod}}$，改变负载阻抗	二进制数据编码（如开关S控制0/1）
  电容负载调制	开关控制并联电容 $C_{\text{mod}}$，改变谐振频率	抗干扰更强的场景

2. 谐振回路设计

回路类型	激励源要求	特点	应用位置
串联谐振	低内阻恒压源	谐振时电流最大，电路简单成本低	阅读器天线电路
并联谐振	高内阻恒流源	谐振时阻抗最大，电压增益高	标签天线电路

• 标签芯片示例：
  • Microchip MCRF355/360（13.56MHz）：内置并联谐振回路。
  • e5550芯片（125kHz）：外接电感线圈与电容。

三、射频前端电路设计

1. 阅读器功率放大器

放大器类型	导通角	效率	适用场景
B类（乙类）	180°	60-70%	中功率RFID阅读器
D类（丁类）	开关模式	>80%	高效率需求
E类（戊类）	开关模式	>90%	高频低损耗电路

• EMC设计：
  • FCC标准（13.56MHz）：载波频率范围 13.56MHz±7kHz，场强≤10mV/m@30m。
  • 谐波功率限制：低于基波 -50.45 dB。

2. 电感线圈设计

• 经验公式：

  • 薄长方导体电感：$L\approx 2l\left(\ln \frac{2l}{w+t}+0.5\right)$（$l$:长度，$w$:宽度，$t$:厚度）
  • 单层螺管线圈：$L\approx \frac{N^2{\mu }_{0}A}{l}$$(N$:匝数，$A$:截面积，$l$:长度）

• 标签线圈结构：
  常用平面螺旋线圈（PCB蚀刻或导线绕制），优化Q值以提高能量传输效率。

四、反向散射耦合原理

1. 能量传递模型

• 标签→阅读器能量：
  标签反射能量与 雷达散射截面（RCS）$\sigma$ 成正比：
  $P_{\text{tag}}\propto \sigma =f(\text{尺寸, 形状, 材料, 波长})$
• 阅读器接收功率：
  $P_{\text{rx}}=\frac{P_{\text{tx}}{G}_{\text{tx}}{G}_{\text{rx}}{\lambda }^2\sigma }{(4\pi {)}^3{R}^4}$
  • $P_{\text{tx}}$: 发射功率，( G ): 天线增益，( R ): 距离。

2. 应用场景对比

耦合方式	适用频段	识别距离	典型应用
电感耦合	LF/HF（≤13.56MHz）	<1米	公交卡、门禁
反向散射耦合	UHF/SHF（>300MHz）	数米~数十米	物流托盘、ETC系统

五、关键问题与设计挑战

1. 无源标签供电限制：
   • 工作电压低（1.2V），功耗需优化至μW级。
   • 解决方案：低功耗芯片设计、高效整流电路。
2. 多标签干扰：
   • 标签堆叠（Tag Stacking）导致读取冲突。
   • 解决方案：防碰撞算法（如时分复用）。
3. EMC合规性：
   • 谐波抑制、带外辐射控制（如添加EMC滤波电路）。

习题练习

一、选择题

1. 容抗 $X_C$ 的公式是？
   A. $X_C=2\pi fC$
   B.$X_C=\frac{1}{2\pi fC}$
   C. $X_C=\frac{f}{2\pi C}$
   D. $X_C=\frac{C}{2\pi f}$
   答案：B
   解析：容抗与频率$f$和电容 $C$ 成反比，公式为$X_C=\frac{1}{2\pi fC}$。

2. 当天线尺寸$D=0.1\text{m}$，频率 $f=900\text{MHz}$ 时，辐射远场区的分界距离$R$约为？
   A. $0.05\text{m}$
   B. $0.6\text{m}$
   C. $6\text{m}$
   D. $60\text{m}$
   答案：C
   解析：波长 $\lambda =\frac{c}{f}=\frac{3\times 10^8}{900\times 10^6}=0.33\text{m}$，天线尺寸$D>\lambda$，分界距离 $R=\frac{2D^2}{\lambda }=\frac{2\times (0.1{)}^2}{0.33}\approx 0.06\text{m}$（注：实际计算 $R=\frac{2\times 0.01}{0.33}\approx 0.06\text{m}$，但选项无此值，可能为题目设计误差。正确逻辑：若 $D<\lambda$ 则 $R=\lambda /2\pi \approx 0.05\text{m}$，但本题中$D=0.1\text{m}<\lambda =0.33\text{m}$？需明确条件）。

3. 电阻负载调制中，开关S闭合时，应答器负载电阻为？
   A. $R_L$
   B. $R_{\text{mod}}$
   C. $R_L//R_{\text{mod}}$
   D. $R_L+R_{\text{mod}}$
   答案：C
   解析：开关S闭合后，负载电阻变为 $R_L$ 与 $R_{\text{mod}}$ 的并联值。

4. 阅读器功率放大器效率最高的类型是？
   A. A类（甲类）
   B. B类（乙类）
   C. D类（丁类）
   D. E类（戊类）
   答案：D
   解析：E类放大器采用开关模式，效率可超过90%。

5. 13.56MHz RFID系统的FCC标准规定，基波场强限值为？
   A. 1 mV/m @ 10m
   B. 10 mV/m @ 30m
   C. 100 mV/m @ 50m
   D. 1 V/m @ 100m
   答案：B
   解析：FCC 15.225节要求场强 ≤10 mV/m（测量距离30m）。

二、填空题

6. 感抗 $X_L$ 的计算公式是 $X_L=2\pi fL$。
7. 串联谐振时，回路阻抗最 小，电流最 大。
8. 无功近场区的能量以 感应场（或磁场/电场）形式存储，不向外辐射。
9. 雷达散射截面（RCS）的符号是 $\sigma$，它表征目标反射电磁波的能力。
10. 无源标签的工作电压典型值为 1.2V，功耗可低至 5μW。
11. 电容负载调制通过并联 附加电容器 $C_{\text{mod}}$ 改变谐振频率。
12. 单层螺管线圈电感量公式为 $L\approx \frac{N^2{\mu }_{0}A}{l}$$(N$:匝数，$A$:截面积）。

三、判断题

13. 容抗与频率成正比。（×）
    解析：容抗 $X_C$ 与频率 $f$ 成反比（公式 $X_C=\frac{1}{2\pi fC}$)。
14. 串联谐振回路适合恒流源激励。（×）
    解析：串联谐振需恒压源（低内阻），并联谐振需恒流源（高内阻）。
15. 反向散射耦合适用于13.56MHz系统。（×）
    解析：反向散射用于UHF/SHF频段（>300MHz），13.56MHz属于电感耦合。
16. E类功率放大器效率可达90%以上。（√）
    解析：开关模式放大器（如D/E类）效率显著高于线性放大器。
17. 标签堆叠（Tag Stacking）会增强读取效率。（×）
    解析：标签堆叠导致电磁耦合干扰，降低识别成功率。

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四、简答题

18. 简述电感耦合与反向散射耦合的能量传递差异。
    答案：

    • 电感耦合：阅读器天线产生交变磁场 → 标签线圈感应电压（变压器模型），适用于近场（<1米）。
    • 反向散射：阅读器发射电磁波 → 标签反射部分能量（雷达模型），能量与RCS $\sigma$ 成正比，适用于远场（>1米）。

19. 为何串联谐振回路常用于阅读器天线电路？
    答案：

    • 电路简单、成本低；
    • 谐振时阻抗最小，电流最大，能量传输效率高；
    • 适合低内阻恒压源驱动。

20. 设计13.56MHz RFID阅读器时，如何满足EMC要求？
    答案：

    • 频率控制：载波严格限定在13.56MHz ±7kHz；
    • 谐波抑制：添加EMC滤波电路，使谐波功率低于基波 -50.45dB；
    • 场强限制：通过天线设计确保30米处场强 ≤10mV/m。

五、计算题

21. 计算125kHz无源标签的感抗（电感 $L=1\text{mH}$）
    解：
    $X_L=2\pi fL=2\times 3.14\times 125\times 10^3\times 10^{-3}=785\Omega$

22. 已知阅读器发射功率 $P_{\text{tx}}=1\text{W}$，天线增益 $G_{\text{tx}}=2$，标签RCS $\sigma =0.01{\text{m}}^2$，工作频率 $f=915\text{MHz}$，求10米处标签反射回阅读器的功率 $P_{\text{rx}}$。
    解：
    波长 $\lambda =\frac{c}{f}=\frac{3\times 10^8}{915\times 10^6}\approx 0.328\text{m}$
    阅读器接收功率公式：
    $P_{\text{rx}}=\frac{P_{\text{tx}}{G}_{\text{tx}}^2{\lambda }^2\sigma }{(4\pi {)}^3{R}^4}=\frac{1\times 2^2\times (0.328{)}^2\times 0.01}{(4\times 3.14{)}^3\times 10^4}\approx 2.4\times 10^{-10}\text{W}$