基于磁耦合感应的无源应答器设计

赵峰，刘筱明，段彦亮

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林541004)

随着物联网的普及以及磁通信技术的发展，低频磁通信对信息网络的影响越来越大。低频磁通信系统具有良好的磁穿透力，可穿透水泥、塑料、沙子等非磁性材料，通信过程不存在多径衰落。常见的低频磁通信系统，如射频识别(RFID)和近场通信(NFC)，它们的工作原理都是通过射频信号识别目标，然后与其进行数据交换。RFID已成为IT行业的重要应用，有着巨大的市场潜力和价值［1］。随着NFC标准的推出，把RFID功能延伸并集成到智能手机，使它既可以当作非接触式智能卡又可以当成读卡器使用［2］。美国IntelliServ公司生产的基于电磁感应的钻杆通信网络系统，传输速率达到2 Mbit/s［3］。钻杆通信系统通过磁耦合输送能量，接收端可以实现无源设计，避免了在复杂地理环境下铺设电缆。但是，低频磁通信的通信距离仅10 cm左右，无法应用于某些特殊场合，应用范围有限。鉴于此，设计了一种基于磁耦合感应的无源应答器。

1 大功率磁耦合阅读器

基于磁耦合感应的无源应答器需配备大功率磁耦合阅读器［1］，如图1所示，它的核心是功率放大器与天线的设计。功率放大器后级匹配电路把功率放大器与天线更好地耦合，提高了发送功率和发射效率，使阅读器与应答器之间的通信距离更远。阅读器的接收部分主要由天线和包络检波电路组成。

图1 大功率磁耦合阅读器Fig.1 The structure of high-power reader

2 磁耦合无源应答器结构

磁耦合无源应答器结构如图2所示，电磁能量信号通过接收天线转换为交流信号，经过整流滤波后转换为直流电源，电容组将能量存储并给系统供电，稳压模块1和稳压模块2构成二级降压，分别给功率放大器、振荡器、单片机、OOK调制模块供电，功率放大器后级匹配采用变压器阻抗变换技术，将天线与功率放大器的阻抗匹配，使得发射功率最大。因设计的发射功率相对较大，所以通信距离得到显著提升。

图2 磁耦合无源应答器Fig.2 The structure of passive transponder

2.1 整流滤波电路

天线通过电磁感应得到交流电压V1，经由D1、D2、D3、D4组成的单向桥式整流电路得到单向的脉动电压，但这种单向脉动电压存在很大的脉动成分，滤波电路的设计就是要降低输出电压中的脉动成分，同时又保留更多的直流成分，使其输出能直接用作电路的平滑的直流电压。如图3所示，R1、C1组成滤波电路。

图3 整流滤波电路Fig.3 Rectifier and filter circuit

2.2 储能电容组

电容储存的能量W与电容容量C及其充电电压U的二次方成正比。设系统正常工作时电压为U，电容电压下降到Umin后系统就不能正常工作，可利用的能量为W1，即

对应的能量利用率为:

假设后级电路完成工作需要的能量为W2，则在不考虑损耗的条件下，电容容量设计必须满足W1＞W2，即储能的容量必须达到［4］:

由超级法拉电容构成的3阶储能电容组如图4所示。它充电时呈串联结构，电容组的耐压增大;放电的时候呈现并联结构，补偿了由电容串联引起的电容充电电量减少。3阶串并电容组结构实际上将1个电容的耐压值提升了3倍。

图4 储能电容组Fig.4 The energy storage capacitor group

2.3 稳压电路

稳压模块1如图5所示，其核心LM317输出电压为1.2～37 V。应答器设计的电源电压为12 V，电流为2 A。为了使稳压器有更好的输出性能，R2应小于240Ω。改变R1可调整输出电压值，D1、D2用于保护LM317。输出电压为:

图5 稳压模块1Fig.5 No.1 voltage regulator module

稳压模块2如图6所示，其采用串联型稳压电路设计，电路输入为3.3～15 V，输出电流可达1 A，输出电压可通过更改滑动变阻器R6进行调节。Q2起比较作用，当输出电压增大时，使得Q2集电极电压降低，Q1的基极电压降低，Q3的基极电压升高，输出降低;当输出电压降低时，通过反馈过程，使得输出升高。通过反复的往返过程，使电压稳定在一定值。

图6 稳压模块2Fig.6 No.2 voltage regulator module

LM317的输出电压稳定、纹波小、调节范围宽、噪声低。若使用LM317构成电压可调电路，后续调整电路会影响其电流输出。串联型稳压电路输出电压调节范围是LM317的一半左右，但其负载能力强，输出电压稳定，电路原理简单且容易实现。因此，选用串联型稳压电路作为二级稳压电路。

2.4 单片机电路模块

信号发生模块采用16位超低功耗MSP430单片机，它具有精简指令集结构和丰富的寻址方式。电源电压为1.8～3.6 V。在实时时钟模式下，电流最低为2.5μA，在RAM保持模式下，电流最低可以达到0.1μA。低功耗设计使得它在较低的电压范围可以正常工作，降低了系统设计的复杂度。单片机发送的信号是基于看门狗(WDT)程序修改的。因为是验证性实验，没有设定通信协议，只简单地让单片机循环发

送“001111”序列。程序关键代码为:

#include〈msp430x14x.h〉

char Test=0x3F;

chartmp=0，cnt=0;

//＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

void main(void)

{

WDT_Init();//看门狗设置

Clock_Init();//系统时钟设置

_EINT();

IE1|=WDTIE;

PORT_Init();

tmp=Test;

while(1);

}

#pragma vector=WDT_VECTOR

_interrupt void WDT_TIMER(void)

{

P1OUT=BIT0＆tmp;

tmp=tmp≫1;

if(cnt==7)

{

cnt=0;

tmp=Test;

}

else

cnt++;

}

2.5 振荡电路

振荡电路如图7所示，RC串并联组成选频网络，选频回路由R1、C3和R11、C1组成，选频频率为:

Q1和Q2是选频网络的核心，每级都是共发射极构成2级放大电路，2级放大电路之间采用阻容耦合，电阻R2为级间交流负反馈，稳定电路，改善放大电路的性能。整个电路的放大倍数通过改变Rf的大小来调节。

图7 振荡电路Fig.7 Oscillating circuit

2.6 OOK调制电路

信号调制选择吸收式开关芯片ADG901，它在1 GHz频率范围具有高隔离、低插入损耗特性，是性能很好的宽带开关。工作电源电压为1.65～2.75 V，工作电流为5μA。in1输入载波信号，in2输入单片机信号，将原始信号调制成OOK信号。

图8 OOK调制电路Fig.8 OOK signal modulation circuit

2.7 功率放大器选型

A类功率放大器在工作时呈现优秀的线性，每个晶体管均放大信号全波，不存在交越失真，但效率低，在无信号输入时，晶体管内仍有满电流流入，电能全部转换为热能散发。B类功率放大器在工作时是推挽输出的，每个晶体管各放大一半波形，2个晶体管一开一关，交替工作，完成一个全波放大，因此在工作时产生交越失真。当无信号输入时，晶体管内无电流流入，不消耗电能，因此B类功率放大器的工作效率比A类功率放大器高很多。

AB类功率放大器集成A类与B类功率放大器的优势，因本应答器采用无电源设计，AB类功率放大器降低了能量损耗，保证了工作效率，控制了系统的功耗。基于本通信系统采用OOK调制，因此选择AB类功率放大器，以达到较高的效率和良好的线性不失真。

功率放大器采用TDA7297音频功放芯片，采用官方标准电路设计，如图9所示。当电源电压为12 V、电流为2 A时，功率可达15 W，输出阻抗为4～8 Ω。经过测试，在频率为125 kHz时，放大波形稳定，失真度小，满足实验需求。

图9 功率放大器Fig.9 Power amplifier

2.8 系统天线设计

根据麦克斯韦电磁理论，变化的电流会产生相应的磁场，环形线圈产生的磁场强度为:

其中:H为磁场强度;I为电流强度;N为匝数;r为天线半径;x为作用距离［6］。

由式(1)可知，在近场耦合有效的前提下，假定线圈电流I不变，线圈半径r越大，通过电磁感应产生的磁场的作用范围越大，能量传输距离就越远。但若半径过大，则在距离x=0时，磁场强度很小;相反，若天线半径太小，则在距离x=0时，磁场强度很高，但在x＞r时，其磁场强度以x的3次方的比例衰减，磁场的作用范围变小［6］。

对于每种环形天线，不同工作距离对应不同的最佳天线半径。对r求导可得，

可知，式(2)的零点既是拐点又是函数的最大值。最佳天线半径为天线工作距离的倍［6］。

根据系统设计，采用2.5 mm纯铜漆包线，手工绕制直径1 m的圈环5圈，使用RLC表测得电感为0.15 mH，电阻为1Ω，电容值忽略不计。

2.9 功率放大器阻抗匹配设计

本设计采用变压器作为功率放大器与天线电路之间的阻抗匹配。变压器分为空芯变压器和磁芯变压器，磁芯变压器的耦合系数近似为1，漏磁小，但损耗随着频率的升高而增大。相反，空芯变压器耦合系数小，在低频低损耗时，性能不如磁芯变压器，但高频的损耗比磁芯变压器低。因此，在选择变压器时，需要考虑系统的工作频率以及变压器的磁导率和损耗。理想变压器可视为无损耗、初级电感为无穷大、耦合系数为1的变压器。设N1、N2分别为变压器初级和次级绕组的匝数，RL为后级阻抗值，RL′为前级阻抗值［5］，则理想变压器的变换功能为:

3 实验结果

根据电磁耦合原理，系统选用载波频率为125 kHz，通信速率为2 kbit/s。天线驱动采用LC串联谐振电路，LC串联阻抗ZS=R+j(ωL-1/(ωC))=1+j116.75，Q=1/(ωRC)=0.99，通频带Bw=f/Q=126 kHz。

选择功率放大器输出阻抗为8Ω，根据阻抗匹配公式得变压器线圈1与线圈2的匝数比为0.26，设变压器线圈1与线圈2的电阻值均为1Ω。通过仿真得到阻抗匹配结果如图10所示。

图11为Multisim13的电路仿真结果，设系统的应答效率为10%，那么接收端感应到的信号功率为1.5 W，线圈感应到的OOK信号通过包络检波解调，基本还原了原始信号，达到了正常通信的要求。

图10 阻抗匹配结果Fig.10 The results for impedance matching

图11 仿真结果Fig.11 The simulation results

4 结束语

针对常用低频磁通信系统通信距离短，设计了一种基于磁耦合无源应答器，并使用Multisim13软件进行了仿真验证。提高功率放大器的发射功率可以提高无源应答器的工作距离。高Q值天线的传输效率高，可以提高系统的工作距离，但过高的Q值使得天线的带宽变窄，高Q值天线对于系统设计精度和稳定性有着很高的要求。系统频率高意味着传输速率高，但由近场区特性可知，如果频率太大，传输距离就会变小，并且趋肤效应和邻近效应的影响加重。当阅读器设计功率足够大时，应答器的单片机端口还可以接入多种低功耗的传感器，作为数据采集器使用，用于监测应答器周围的环境变化，扩展了磁通信技术的应用，降低了物联网磁通信的建设成本。

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