电感和反向散射耦合方式对比及应用

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：因为电感耦合系统的效率不高，所以这种方式主要适用于小电流电路，应答器的功耗大小对工作距离有很大影响。图4-9反向散射耦合原理框图应答器天线的反射性能受连接到天线的负载变化影响，因此同样可以采用电阻负载调制的方法实现反射的调制。采用反向散射耦合方式的应答器按能量的供给方式分为无源和有源两种。

根据射频耦合方式的不同，RFID可以分为电感耦合（磁耦合）和反向散射耦合（电磁场耦合）两大类。

1.电感耦合

电感耦合也叫作磁耦合，是阅读器和应答器之间通过磁场（类似变压器）的耦合方式进行射频耦合，能量（电源）由阅读器通过载波提供。阅读器产生的磁场强度受到电磁兼容性能的有关限制，因此一般工作距离都比较近。

高频和低频RFID主要采用电感耦合的方式，即频率为13.56 MHz和小于135 kHz。工作距离一般在Im以内，其耦合方式结构框图如图4-7所示。

pagenumber_ebook=141,pagenumber_book=134

图4-7　电感耦合的电路结构

电感耦合的RFID系统中，阅读器与应答器之间耦合工作原理如下：

（1）阅读器通过谐振在阅读器天线上产生一个磁场，当在一定距离内，部分磁力线会穿过应答器天线，产生一个磁场耦合。

（2）由于在电感耦合的RFID系统中所用的电磁波长（低频135 kHz波长为2 400 m，高频13.56 MHz为22.1 m）比两个天线之间的距离大很多，所以两线圈间的电磁场可以当作简单的交变磁场。

（3）穿过应答器天线的磁场通过感应会在应答器天线上产生一个电压，经过VD的整流和对C2充电、稳压后，电量保存在C2中，同时C2上产生应答器工作所需要的电压。

阅读器天线和应答器天线也可以看作一个变压器的初、次级线圈，只不过它们之间的耦合很弱。因为电感耦合系统的效率不高，所以这种方式主要适用于小电流电路，应答器的功耗大小对工作距离有很大影响。

在电感耦合方式下，应答器向阅读器的数据传输采用负载调制的方法，其原理如图4-8所示。

pagenumber_ebook=142,pagenumber_book=135

图4-8　负载调制

图4-8所示为电阻负载调制，本质是一种振幅调制（也称为调幅AM），以调节接入电阻R的大小可改变调制度的大小。实践中，常通过接通或断开接入电阻R来实现二进制的振幅调制。其工作步骤如下：

（1）如果在应答器中以二进制数据编码信号控制开关S，则应答器线圈上的负载电阻R按二进制数据编码信号的高低电平变化而接通和断开。

（2）负载的变化通过应答器天线到阅读器天线，进而产生相同规律变化的信号，即变压器的次级线圈的电流变化，会影响到初级的电流变化。

（3）在该变化反馈到阅读器天线（相当于变压器初级）后，通过解调、滤波放大电路，恢复为应答器端控制开关的二进制数据编码信号。

（4）经过解码后就可以获得存储在应答器中的数据信息，进而可以进行下一步处理。这样，二进制数据信息就从应答器传到了阅读器。

2.反向散射耦合

反向散射耦合也称电磁场耦合，其理论和应用基础来自雷达技术。当电磁波遇到空间目标（物体）时，其能量的一部分被目标吸收，另一部分以不同的强度被散射到各个方向。在散射的能量中，一小部分反射回了发射天线，并被该天线接收（发射天线也是接收天线），对接收信号进行放大和处理，即可获取目标的有关信息。

一个目标反射电磁波的效率由反射横截面来衡量。反射横截面的大小与一系列参数有关，如目标大小、形状和材料、电磁波的波长和极化方向等。由于目标的反射性能通常随频率的升高而增强，所以反向散射耦合方式通常采用在超高频（包括UHF和SHF）RFID系统中，应答器和阅读器的距离大于1m。反向散射耦合的原理框图如图4-9所示。

反向散射耦合的RFID系统中，阅读器与应答器之间耦合工作原理如下：

（1）阅读器通过阅读器天线发射载波，其中一部分被应答器天线反射回阅读器天线。

pagenumber_ebook=143,pagenumber_book=136