RFID标签芯片能量传输原理

RFID标签芯片能量传输原理 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： E＝jB H＝J-jD D＝ B＝0 （1） 其中E是电场强度(V/m)，H是磁场强度(A/m)，B是磁通量密度(T)， D是电位移矢量(C/m2，)，J是体电流密度(A/m2，)，p是体电荷密度(C/m3)。麦克斯韦方程组与电荷/电流的连续性方程jJ0共同构成了电磁场的基本理论。 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EH （2） 根据电磁波的E、H及传播方向构成右旋系的性质可以看出，电磁波的能量密度S总是沿着电磁波的传播方向，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，因此，要了解系统能量和数据的传输就需掌握磁耦合的一些基本定律。 图阅读器和标签天线之间的磁耦合 无源标签一般由芯片和大线圈组成，它需要从阅读器天线上得到能使芯片运转的能量 。标签在13.56MHz频率下的工作波长约为22.1m，它和阅读器的距离不超过10cm，因此完全可以忽略电磁波中的电场部分而只考虑磁场耦合。为了简化分析，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： BA （3） 而磁通量密度和磁场强度之间的关系式： BH0rH （4） 其中常数0是真空磁导率（04106Vs/Am），r则表示材料的相对磁导率。 图 磁通量和磁通量密度B关系 标签天线通常不只一圈面积为A的线圈，因此总的磁通量为： 假设标签天线为环状线圈并且线的半径d小于线圈的半径D(d/D<0.0001)，则NNN （5） 线圈电感可以近似为： DLN20Rln()（6） d 阅读器和标签天线间的互感M为： M12 = 20N1R2NR2122R21x23 （7） 其中R1为阅读器天线半径，N1为阅读器天线线圈数，R2为标签天线半径，N2为标签天线线圈数，x为线圈的中心距，且R2R1,两线圈平面平行。 图 天线耦合及其等效电路 输入芯片的电压u2可以由法拉第电磁感应定律得到： u2d2didiM1L22i2R2jMi1jL2i2i2R2 dtdtdt （8）将i2u2带入，可得 RLu2jMi1 jL2R2（9）1RL 其中R2为L2上的寄生电阻，通常为几个欧姆。RL芯片等效输入电阻，通常为几千欧姆。为了改善能量耦合效率从而使芯片稳定工作且符合ISO14443工作场强标准，通常还需要在标签天线端加入谐振电容 ，从而使标签天线工作于谐振状态，此时输入到芯片内部的电压u2为： u2jMi111jL2R2jC2RL （10） '其中Cp为标签封装后的寄生电容，C2为芯片内部的谐振电容。 图 智能RFID标签天线等效电路