提高RFID系統中耦合器定向性設計

0 引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/260377.htm

RFID系統在全球的應用已經越來越廣泛，被譽為21世紀將會快速發展的新型技術。RFID系統可以應用於多個頻段，不同頻段有著不同的特點，UHF頻段的RFID系統讀取速度較快，識別距離較遠，近年來得到了很快的發展。本文將重點討論在UHF頻段中，RFID系統中微帶定向耦合器設計的改進方案。

在很多RFID系統中，有一些微波多埠器件，放置於reader天線和信號處理模塊中間，用以分離輸出的reader 信號和tag散射的信號，比如環形器，定向耦合器等等。環形器體積較大，又需要鐵氧體材料，製作成本較高，而微帶型的定向耦合器通常體積比較小，又很容易加工，因此在這些系統中得到了廣泛的應用。微帶耦合器一般是用一段長度為1/4波長的微帶耦合線構成，在平行的兩段導帶兩端分別加上兩個埠，構成定向耦合器的四埠網絡。

但是，因為微帶線傳輸的模式不是嚴格的TEM波，有少量的縱向場分量，造成了奇偶模式傳輸相速度不平衡，直接導致了微帶耦合器的定向性降低。如公式(1)所示：

在這個公式中，i=e，o。從上式可以看出，奇偶模相速度是不一樣的，這不但會影響到微帶耦合器的耦合性能和定向性能，還會使得頻帶變窄。在這一點上，帶狀線比微帶線要好一些，因為帶狀耦合線周圍填充介質是均勻的，奇偶模相速度一致，傳輸TEM波，本身就比微帶線要有優勢，但加工要麻煩一些，粘合中還會引入別的誤差。

正因為上述的原因，現在市場上的定向耦合器的隔離度僅僅只有-30dB左右，定向性通常不會超過20dB。本文所介紹的一種新型的改進方案，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。這種反射能量經過微帶線傳輸至隔離端，從而抵消部分隔離端的洩露能量，使得定向性大大提高。在接下來的實驗中，可以看到，在指定頻點，隔離度可以達到-50dB以下，定向性可以達到-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。是一個四埠器件，中間是一段耦合線。四個埠分別連接於外部的50Ω埠。從5點到7點是高阻抗線，7端點接地，這個長度是一個變量。連接每個埠(3埠除外)的微帶線寬度是2.25mm，長度是14.4mm，3埠連接的微帶線寬度是1.4mm，長度是5mm。耦合線的長度是57.7mm，導帶寬度是2.1mm，導帶間距是O.45mm。本文主要討論高阻抗線的作用，所以先將高阻抗線長度置於零。PCB板採用PTFE材料，介電常數是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，可以得到各個條線的特性阻抗和電長度。連接1，2，4埠的微帶線特性阻抗為36.24Ω，電長度為22.6°，連接3埠的微帶線特性阻抗是50Ω，電長度為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，電長度92.4°。理論上說，如果耦合線的長度為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，對這樣一款定向耦合器的仿真結果如圖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，當長度為90° 時，tanθ=0，V3=CV0，耦合端信號最大。而該耦合器的長度為92.4°，基本上符合耦合器的基本理論，這個耦合度的數值應該和S31的數值接近。從後面的分析中可以看到，這個數值和矩量法計算的結果是基本一致的。另一個重要的參數是S41這個參數在理想耦合器理論中為0，但實際中顯然不為0，因為奇偶模的不平衡性，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，但這種辦法也只能是粗略的分析，這是由於微帶線傳輸的奇偶模相速度不平衡，奇偶模分量也很難計算。不過因為耦合度比較低，可以假設1埠到2埠的耦合線為一根獨立的無耗傳輸線來計算。1，2埠的阻抗均是50Ω。利用公式(3)可以計算的結果是，Zin1=44.25-j10.24 Ω，Zin2=30.7+j7.71 Ω，Zin3=37.12+j10.65 Ω。這裡的1，2，3指的是圖上標的點。用公式(4)可以計算得到Γ=0.13+j0.138，S11=-14.4dB，從這個數據上看來阻抗匹配不是很好。現在的理論分析結果用以和後面的矩量法計算結果進行比較。

圖2(a)是S31和S41的圖，在900MHz時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，這個耦合器的性能並不好。首先是S11 在900MHz時僅為-15.39dB，定向耦合器是一個直通的設備，一般來說S11必須要在-30dB以下才合適，否則插入損耗有些過大，對系統有一些損害。另外定向性過低，在900MHz時，隔離度為-25.589dB，耦合度為-19.116dB，定向性只有6dB左右，而且在整個頻段，定向性都不超過8dB。這個結果顯然比較符合上文計算的結果，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。因為tag標籤散射的信號和reader發射的信號功率差距在40～50 dB以上。而該耦合器的定向性只有8dB，很難分離tag信號和reader信號。這在tag信號輸出端主要表現為，reader信號幅度比tag信號大得太多。尤其在放大器的輸出端，tag疊加在reader的連續波信號上部，很可能在tag信號還沒有放大到足夠可以檢測時，放大器就已經飽和，這樣是很有害的。下面將調整定向耦合器的高阻抗線尺寸，使得耦合器達到比較好的指標。

2 耦合器的改進方法及效果

在這一節中，主要講述一種耦合器改進方案，即是添加高阻抗線法。如圖1，高阻抗線的終端接地，屬於短路線，絕大多數的能量會反射回來。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埠洩露的能量除了耦合器本身的隔離度不佳以外，在實際應用中，還包含有從2埠反射回來的信號在4埠上的耦合，這個反射信號主要是天線的失配造成。在這裡僅認為2埠是理想的匹配負載。在理想耦合器中，隔離端洩露的信號比耦合端的信號延遲90°，而抵消信號和隔離端信號應該正好相差180°。由於是抵消信號主要由高阻抗線終端反射，因此在圖1中，4 點到7點的電長度應該為90°左右。這樣，反射信號傳輸至4點就會出現反向，然後再傳輸至6點，和隔離端的信號也正好是反向的。調節高阻抗線的寬度，可以控制反射信號的功率；調節其長度，可以控制反射信號的相位。經過調節，高阻抗線的長度為53.7mm，寬度為0.4mm，這個長度加上連接3埠的5mm 短微帶線，電長度接近90°(91.2°)。仿真的S11，S31和S41結果如圖3所示。

從圖3中明顯可以看出，S11隻有很小的變化，這是因為耦合到3，4埠之間耦合線的能量比較小，對輸入反射係數影響比較小，而在改進型中，並沒有改變除了高阻抗線以外的參數。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的變化主要是因為增加了高阻抗線，3埠的匹配狀況發生改變，反射增加了，因此3埠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30dB，這是因為高阻抗線的反射抵消。這個定向性已經非常高，超過了市場上絕大多數的定向耦合器的指標，這樣的定向耦合器在RFID系統的應用中是很有用的。值得指出的是，雖然應用了這樣高性能的耦合器，reader信號仍然比tag信號要大很多，但系統分辨力是增加了，可以識別更小功率的tag散射信號。如果兩種信號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。

但是從圖3中也可以看出耦合器的缺點，最明顯的就是高定向性的帶寬非常窄，20dB也只有20MHz左右，這是因為耦合器本身性能比較差。如果是一個性能本身較好的耦合器，再加上高阻抗線進行調節，可以得到一個比較滿意的頻率特性。而中間最低的903MHz處能顯示出這麼高的定向性，顯然是由於在這個頻率上，隔離端的漏信號剛好和反射抵消信號是反向的。

3 結論

在RFID系統中，耦合器，環形器等多埠網絡是非常重要的部件，主要是用於分離reader和tag信號。但是市場上一般的定向耦合器最多只能達到20dB的定向性，這樣的耦合器很有局限性。應用於RFID系統中，分離tag信號的能力比較弱，或者說，只有在tag信號比較強時才能從信道中分離出。因此需要對其結構進行改進。

理論上的定向耦合器在隔離端的信號強度為0，但是在實際中，由於奇偶模相速度的不平衡，在傳輸的過程中，奇偶模的分量往往發生改變，隔離端的信號便不為0，甚至很大。在文中提出的那款模型，隔離端洩露的信號強度就非常大，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來抵消隔離端的洩露信號。

高阻抗線的一個重要結論是，其終端到耦合端的電長度大約為90°。根據微帶耦合器理論，要達到最佳的耦合效果，耦合端和隔離端的長度大約為90°，信號相位也相差90°。反射信號要與隔離端信號相差180°，在高阻抗線終端反射回耦合端的信號與耦合端原信號必須反向，這樣才能在傳輸90°以後和隔離端的信號正好反向。另外通過改變高阻抗線的線寬，可以調節反射信號的強弱。遵循這一原則，通過對高阻抗線的調節，使得耦合器在 903MHz時，達到-50dB的隔離度，並使定向性達到30dB以上。