0 引言

RFID系統(tǒng)在全球的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛,，被譽(yù)為21世紀(jì)將會(huì)快速發(fā)展的新型技術(shù),。RFID系統(tǒng)可以應(yīng)用于多個(gè)頻段，不同頻段有著不同的特點(diǎn),，UHF頻段的RFID系統(tǒng)讀取速度較快,，識(shí)別距離較遠(yuǎn),，近年來(lái)得到了很快的發(fā)展。本文將重點(diǎn)討論在UHF頻段中,，RFID系統(tǒng)中微帶定向耦合器設(shè)計(jì)的改進(jìn)方案,。

在很多RFID系統(tǒng)中，有一些微波多端口器件,，放置于reader天線和信號(hào)處理模塊中間,，用以分離輸出的reader 信號(hào)和tag散射的信號(hào)，比如環(huán)形器,，定向耦合器等等,。環(huán)形器體積較大，又需要鐵氧體材料,，制作成本較高,，而微帶型的定向耦合器通常體積比較小，又很容易加工,，因此在這些系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用,。微帶耦合器一般是用一段長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)的微帶耦合線構(gòu)成，在平行的兩段導(dǎo)帶兩端分別加上兩個(gè)端口,，構(gòu)成定向耦合器的四端口網(wǎng)絡(luò),。

但是，因?yàn)?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/微帶線" title="微帶線" target="_blank">微帶線傳輸?shù)哪Ｊ讲皇菄?yán)格的TEM波,，有少量的縱向場(chǎng)分量,，造成了奇偶模式傳輸相速度不平衡，直接導(dǎo)致了微帶耦合器的定向性降低,。如公式(1)所示：

在這個(gè)公式中,，i=e，o,。從上式可以看出,，奇偶模相速度是不一樣的，這不但會(huì)影響到微帶耦合器的耦合性能和定向性能,，還會(huì)使得頻帶變窄,。在這一點(diǎn)上，帶狀線比微帶線要好一些,，因?yàn)閹铖詈暇€周圍填充介質(zhì)是均勻的,，奇偶模相速度一致，傳輸TEM波,，本身就比微帶線要有優(yōu)勢(shì),，但加工要麻煩一些，粘合中還會(huì)引入別的誤差。

正因?yàn)樯鲜龅脑?，現(xiàn)在市場(chǎng)上的定向耦合器的隔離度僅僅只有-30dB左右,，定向性通常不會(huì)超過(guò)20dB。本文所介紹的一種新型的改進(jìn)方案,，即是在耦合端添加高阻抗線,，使得耦合端不匹配，有一定量的反射,。這種反射能量經(jīng)過(guò)微帶線傳輸至隔離端,，從而抵消部分隔離端的泄露能量，使得定向性大大提高,。在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中,，可以看到，在指定頻點(diǎn),，隔離度可以達(dá)到-50dB以下,，定向性可以達(dá)到-30dB。

1 耦合器模型的理論分析和仿真

微帶定向耦合器在ADS中的模型如圖1所示,。是一個(gè)四端口器件,，中間是一段耦合線。四個(gè)端口分別連接于外部的50Ω端口,。從5點(diǎn)到7點(diǎn)是高阻抗線,，7端點(diǎn)接地，這個(gè)長(zhǎng)度是一個(gè)變量,。連接每個(gè)端口(3端口除外)的微帶線寬度是2.25mm,，長(zhǎng)度是14.4mm，3端口連接的微帶線寬度是1.4mm,，長(zhǎng)度是5mm,。耦合線的長(zhǎng)度是57.7mm，導(dǎo)帶寬度是2.1mm,，導(dǎo)帶間距是O.45mm,。本文主要討論高阻抗線的作用，所以先將高阻抗線長(zhǎng)度置于零,。PCB板采用PTFE材料,，介電常數(shù)是2.5，厚度是0.5cm,。

首先利用理論分析方法分析該定向耦合器。利用ADS中的line calculation工具,，可以得到各個(gè)條線的特性阻抗和電長(zhǎng)度,。連接1，2，4端口的微帶線特性阻抗為36.24Ω,，電長(zhǎng)度為22.6°,，連接3端口的微帶線特性阻抗是50Ω，電長(zhǎng)度為8.2°,。耦合線的特性阻抗是37.5Ω,，奇模阻抗為33.72Ω，偶模阻抗為41.73Ω,，耦合度為 -19.48dB,，電長(zhǎng)度92.4°。理論上說(shuō),，如果耦合線的長(zhǎng)度為90°,，耦合的能量最大，耦合端電壓最大,，這從公式(2)可以看到,。在ADS中，對(duì)這樣一款定向耦合器的仿真結(jié)果如圖2所示,。

式中：C為耦合度,；V3為耦合端輸出電壓；V0為耦合器輸入端電壓,。顯然,，當(dāng)長(zhǎng)度為90° 時(shí)，tanθ=0,，V3=CV0,，耦合端信號(hào)最大。而該耦合器的長(zhǎng)度為92.4°,，基本上符合耦合器的基本理論,，這個(gè)耦合度的數(shù)值應(yīng)該和S31的數(shù)值接近。從后面的分析中可以看到,，這個(gè)數(shù)值和矩量法計(jì)算的結(jié)果是基本一致的,。另一個(gè)重要的參數(shù)是S41這個(gè)參數(shù)在理想耦合器理論中為0，但實(shí)際中顯然不為0,，因?yàn)槠媾寄５牟黄胶庑?，其性能有可能變差，甚至很差,。另外用傳輸線等效理論分析辦法,，分析輸入S11參數(shù)，但這種辦法也只能是粗略的分析,，這是由于微帶線傳輸?shù)钠媾寄Ｏ嗨俣炔黄胶?，奇偶模分量也很難計(jì)算,。不過(guò)因?yàn)轳詈隙缺容^低，可以假設(shè)1端口到2端口的耦合線為一根獨(dú)立的無(wú)耗傳輸線來(lái)計(jì)算,。1,，2端口的阻抗均是50Ω。利用公式(3)可以計(jì)算的結(jié)果是,，Zin1=44.25-j10.24 Ω,，Zin2=30.7+j7.71 Ω，Zin3=37.12+j10.65 Ω,。這里的1,，2，3指的是圖上標(biāo)的點(diǎn),。用公式(4)可以計(jì)算得到Γ=0.13+j0.138,，S11=-14.4dB，從這個(gè)數(shù)據(jù)上看來(lái)阻抗匹配不是很好?，F(xiàn)在的理論分析結(jié)果用以和后面的矩量法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,。

圖2(a)是S31和S41的圖，在900MHz時(shí)S31為-19.116dB,，S41為-25.589dB,。圖 2(b)是S11的圖，在800MHz～1GHz之間,，S11均在-12dB和-20dB之間,。從圖2上可以看出，這個(gè)耦合器的性能并不好,。首先是S11 在900MHz時(shí)僅為-15.39dB,，定向耦合器是一個(gè)直通的設(shè)備，一般來(lái)說(shuō)S11必須要在-30dB以下才合適,，否則插入損耗有些過(guò)大,，對(duì)系統(tǒng)有一些損害。另外定向性過(guò)低,，在900MHz時(shí),，隔離度為-25.589dB，耦合度為-19.116dB,，定向性只有6dB左右,，而且在整個(gè)頻段，定向性都不超過(guò)8dB,。這個(gè)結(jié)果顯然比較符合上文計(jì)算的結(jié)果,，S11=-15.39dB接近上文中的-14.42dB，而S31=-19.116dB和最大耦合功率的理論值-19.48dB也比較接近,。

這樣的性能顯然是不滿足要求的,。因?yàn)閠ag標(biāo)簽散射的信號(hào)和reader發(fā)射的信號(hào)功率差距在40～50 dB以上,。而該耦合器的定向性只有8dB，很難分離tag信號(hào)和reader信號(hào),。這在tag信號(hào)輸出端主要表現(xiàn)為，reader信號(hào)幅度比tag信號(hào)大得太多,。尤其在放大器的輸出端,，tag疊加在reader的連續(xù)波信號(hào)上部，很可能在tag信號(hào)還沒(méi)有放大到足夠可以檢測(cè)時(shí),，放大器就已經(jīng)飽和,，這樣是很有害的。下面將調(diào)整定向耦合器的高阻抗線尺寸,，使得耦合器達(dá)到比較好的指標(biāo),。

2 耦合器的改進(jìn)方法及效果

在這一節(jié)中，主要講述一種耦合器改進(jìn)方案,，即是添加高阻抗線法,。如圖1，高阻抗線的終端接地,，屬于短路線,，絕大多數(shù)的能量會(huì)反射回來(lái)。在理論上,，利用這些反射的能量抵消耦合器在隔離端(port4)的能量以提高其隔離度,。4端口泄露的能量除了耦合器本身的隔離度不佳以外，在實(shí)際應(yīng)用中,，還包含有從2端口反射回來(lái)的信號(hào)在4端口上的耦合,，這個(gè)反射信號(hào)主要是天線的失配造成。在這里僅認(rèn)為2端口是理想的匹配負(fù)載,。在理想耦合器中,，隔離端泄露的信號(hào)比耦合端的信號(hào)延遲90°，而抵消信號(hào)和隔離端信號(hào)應(yīng)該正好相差180°,。由于是抵消信號(hào)主要由高阻抗線終端反射,，因此在圖1中，4 點(diǎn)到7點(diǎn)的電長(zhǎng)度應(yīng)該為90°左右,。這樣,，反射信號(hào)傳輸至4點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)反向，然后再傳輸至6點(diǎn),，和隔離端的信號(hào)也正好是反向的,。調(diào)節(jié)高阻抗線的寬度，可以控制反射信號(hào)的功率,；調(diào)節(jié)其長(zhǎng)度,，可以控制反射信號(hào)的相位,。經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)，高阻抗線的長(zhǎng)度為53.7mm,，寬度為0.4mm,，這個(gè)長(zhǎng)度加上連接3端口的5mm 短微帶線，電長(zhǎng)度接近90°(91.2°),。仿真的S11,，S31和S41結(jié)果如圖3所示。

從圖3中明顯可以看出,，S11只有很小的變化,，這是因?yàn)轳詈系?，4端口之間耦合線的能量比較小,，對(duì)輸入反射系數(shù)影響比較小,，而在改進(jìn)型中，并沒(méi)有改變除了高阻抗線以外的參數(shù),。S31和S41均有變化,，尤其是s41變化很明顯，從-25dB變到-51dB,，而S31也有變化,，從-19dB變化到-21dB。S31的變化主要是因?yàn)樵黾恿烁咦杩咕€,，3端口的匹配狀況發(fā)生改變,，反射增加了，因此3端口的能量有小幅度下降,。 S41下降非常明顯,，到了近乎-51dB，致使定向性超過(guò)30dB,，這是因?yàn)楦咦杩咕€的反射抵消,。這個(gè)定向性已經(jīng)非常高，超過(guò)了市場(chǎng)上絕大多數(shù)的定向耦合器的指標(biāo),，這樣的定向耦合器在RFID系統(tǒng)的應(yīng)用中是很有用的,。值得指出的是，雖然應(yīng)用了這樣高性能的耦合器,，reader信號(hào)仍然比tag信號(hào)要大很多,，但系統(tǒng)分辨力是增加了，可以識(shí)別更小功率的tag散射信號(hào),。如果兩種信號(hào)幅度相差不是特別大,，可以在放大器不飽和的條件下得到tag散射信號(hào)。

但是從圖3中也可以看出耦合器的缺點(diǎn),，最明顯的就是高定向性的帶寬非常窄,，20dB也只有20MHz左右,，這是因?yàn)轳詈掀鞅旧硇阅鼙容^差。如果是一個(gè)性能本身較好的耦合器,，再加上高阻抗線進(jìn)行調(diào)節(jié),，可以得到一個(gè)比較滿意的頻率特性。而中間最低的903MHz處能顯示出這么高的定向性,，顯然是由于在這個(gè)頻率上,，隔離端的漏信號(hào)剛好和反射抵消信號(hào)是反向的。

3 結(jié)論

在RFID系統(tǒng)中,，耦合器，環(huán)形器等多端口網(wǎng)絡(luò)是非常重要的部件,，主要是用于分離reader和tag信號(hào),。但是市場(chǎng)上一般的定向耦合器最多只能達(dá)到20dB的定向性，這樣的耦合器很有局限性,。應(yīng)用于RFID系統(tǒng)中,，分離tag信號(hào)的能力比較弱，或者說(shuō),，只有在tag信號(hào)比較強(qiáng)時(shí)才能從信道中分離出,。因此需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

理論上的定向耦合器在隔離端的信號(hào)強(qiáng)度為0,，但是在實(shí)際中,，由于奇偶模相速度的不平衡，在傳輸?shù)倪^(guò)程中,，奇偶模的分量往往發(fā)生改變,，隔離端的信號(hào)便不為0，甚至很大,。在文中提出的那款模型,，隔離端泄露的信號(hào)強(qiáng)度就非常大，僅僅比耦合端小6dB左右,。為了提高定向性,，提出了添加高阻抗線法，這種方法是利用高阻抗線終端的反射信號(hào)來(lái)抵消隔離端的泄露信號(hào),。

高阻抗線的一個(gè)重要結(jié)論是,，其終端到耦合端的電長(zhǎng)度大約為90°。根據(jù)微帶耦合器理論,，要達(dá)到最佳的耦合效果,，耦合端和隔離端的長(zhǎng)度大約為90°，信號(hào)相位也相差90°,。反射信號(hào)要與隔離端信號(hào)相差180°,，在高阻抗線終端反射回耦合端的信號(hào)與耦合端原信號(hào)必須反向,，這樣才能在傳輸90°以后和隔離端的信號(hào)正好反向。另外通過(guò)改變高阻抗線的線寬,，可以調(diào)節(jié)反射信號(hào)的強(qiáng)弱,。遵循這一原則，通過(guò)對(duì)高阻抗線的調(diào)節(jié),，使得耦合器在 903MHz時(shí),，達(dá)到-50dB的隔離度，并使定向性達(dá)到30dB以上,。