提高RFID系统中耦合器定向性设计

0 引言

RFID系统在全球的应用已经越来越广泛，被誉为21世纪将会快速发展的新型技术。RFID系统可以应用于多个频段，不同频段有着不同的特点，UHF频段的RFID系统读取速度较快，识别距离较远，近年来得到了很快的发展。本文将重点讨论在UHF频段中，RFID系统中微带定向耦合器设计的改进方案。

在很多RFID系统中，有一些微波多端口器件，放置于reader天线和信号处理模块中间，用以分离输出的reader 信号和tag散射的信号，比如环形器，定向耦合器等等。环形器体积较大，又需要铁氧体材料，制作成本较高，而微带型的定向耦合器通常体积比较小，又很容易加工，因此在这些系统中得到了广泛的应用。微带耦合器一般是用一段长度为1/4波长的微带耦合线构成，在平行的两段导带两端分别加上两个端口，构成定向耦合器的四端口网络。

但是，因为微带线传输的模式不是严格的TEM波，有少量的纵向场分量，造成了奇偶模式传输相速度不平衡，直接导致了微带耦合器的定向性降低。如公式(1)所示：

在这个公式中，i=e，o。从上式可以看出，奇偶模相速度是不一样的，这不但会影响到微带耦合器的耦合性能和定向性能，还会使得频带变窄。在这一点上，带状线比微带线要好一些，因为带状耦合线周围填充介质是均匀的，奇偶模相速度一致，传输TEM波，本身就比微带线要有优势，但加工要麻烦一些，粘合中还会引入别的误差。

正因为上述的原因，现在市场上的定向耦合器的隔离度仅仅只有-30dB左右，定向性通常不会超过20dB。本文所介绍的一种新型的改进方案，即是在耦合端添加高阻抗线，使得耦合端不匹配，有一定量的反射。这种反射能量经过微带线传输至隔离端，从而抵消部分隔离端的泄露能量，使得定向性大大提高。在接下来的实验中，可以看到，在指定频点，隔离度可以达到-50dB以下，定向性可以达到-30dB。

1 耦合器模型的理论分析和仿真

微带定向耦合器在ADS中的模型如图1所示。是一个四端口器件，中间是一段耦合线。四个端口分别连接于外部的50Ω端口。从5点到7点是高阻抗线，7端点接地，这个长度是一个变量。连接每个端口(3端口除外)的微带线宽度是2.25mm，长度是14.4mm，3端口连接的微带线宽度是1.4mm，长度是5mm。耦合线的长度是57.7mm，导带宽度是2.1mm，导带间距是O.45mm。本文主要讨论高阻抗线的作用，所以先将高阻抗线长度置于零。PCB板采用PTFE材料，介电常数是2.5，厚度是0.5cm。

首先利用理论分析方法分析该定向耦合器。利用ADS中的line calculation工具，可以得到各个条线的特性阻抗和电长度。连接1，2，4端口的微带线特性阻抗为36.24Ω，电长度为22.6°，连接3端口的微带线特性阻抗是50Ω，电长度为8.2°。耦合线的特性阻抗是37.5Ω，奇模阻抗为33.72Ω，偶模阻抗为41.73Ω，耦合度为 -19.48dB，电长度92.4°。理论上说，如果耦合线的长度为90°，耦合的能量最大，耦合端电压最大，这从公式(2)可以看到。在ADS中，对这样一款定向耦合器的仿真结果如图2所示。

式中：C为耦合度；V3为耦合端输出电压；V0为耦合器输入端电压。显然，当长度为90° 时，tanθ=0，V3=CV0，耦合端信号最大。而该耦合器的长度为92.4°，基本上符合耦合器的基本理论，这个耦合度的数值应该和S31的数值接近。从后面的分析中可以看到，这个数值和矩量法计算的结果是基本一致的。另一个重要的参数是S41这个参数在理想耦合器理论中为0，但实际中显然不为0，因为奇偶模的不平衡性，其性能有可能变差，甚至很差。另外用传输线等效理论分析办法，分析输入S11参数，但这种办法也只能是粗略的分析，这是由于微带线传输的奇偶模相速度不平衡，奇偶模分量也很难计算。不过因为耦合度比较低，可以假设1端口到2端口的耦合线为一根独立的无耗传输线来计算。1，2端口的阻抗均是50Ω。利用公式(3)可以计算的结果是，Zin1=44.25-j10.24 Ω，Zin2=30.7+j7.71 Ω，Zin3=37.12+j10.65 Ω。这里的1，2，3指的是图上标的点。用公式(4)可以计算得到Γ=0.13+j0.138，S11=-14.4dB，从这个数据上看来阻抗匹配不是很好。现在的理论分析结果用以和后面的矩量法计算结果进行比较。

图2(a)是S31和S41的图，在900MHz时S31为-19.116dB，S41为-25.589dB。图 2(b)是S11的图，在800MHz～1GHz之间，S11均在-12dB和-20dB之间。从图2上可以看出，这个耦合器的性能并不好。首先是S11 在900MHz时仅为-15.39dB，定向耦合器是一个直通的设备，一般来说S11必须要在-30dB以下才合适