提高RFID系统中耦合器定向性设计

，否则插入损耗有些过大，对系统有一些损害。另外定向性过低，在900MHz时，隔离度为-25.589dB，耦合度为-19.116dB，定向性只有6dB左右，而且在整个频段，定向性都不超过8dB。这个结果显然比较符合上文计算的结果，S11=-15.39dB接近上文中的-14.42dB，而S31=-19.116dB和最大耦合功率的理论值-19.48dB也比较接近。

这样的性能显然是不满足要求的。因为tag标签散射的信号和reader发射的信号功率差距在40～50 dB以上。而该耦合器的定向性只有8dB，很难分离tag信号和reader信号。这在tag信号输出端主要表现为，reader信号幅度比tag信号大得太多。尤其在放大器的输出端，tag叠加在reader的连续波信号上部，很可能在tag信号还没有放大到足够可以检测时，放大器就已经饱和，这样是很有害的。下面将调整定向耦合器的高阻抗线尺寸，使得耦合器达到比较好的指标。

2 耦合器的改进方法及效果

在这一节中，主要讲述一种耦合器改进方案，即是添加高阻抗线法。如图1，高阻抗线的终端接地，属于短路线，绝大多数的能量会反射回来。在理论上，利用这些反射的能量抵消耦合器在隔离端(port4)的能量以提高其隔离度。4端口泄露的能量除了耦合器本身的隔离度不佳以外，在实际应用中，还包含有从2端口反射回来的信号在4端口上的耦合，这个反射信号主要是天线的失配造成。在这里仅认为2端口是理想的匹配负载。在理想耦合器中，隔离端泄露的信号比耦合端的信号延迟90°，而抵消信号和隔离端信号应该正好相差180°。由于是抵消信号主要由高阻抗线终端反射，因此在图1中，4 点到7点的电长度应该为90°左右。这样，反射信号传输至4点就会出现反向，然后再传输至6点，和隔离端的信号也正好是反向的。调节高阻抗线的宽度，可以控制反射信号的功率；调节其长度，可以控制反射信号的相位。经过调节，高阻抗线的长度为53.7mm，宽度为0.4mm，这个长度加上连接3端口的5mm 短微带线，电长度接近90°(91.2°)。仿真的S11，S31和S41结果如图3所示。

从图3中明显可以看出，S11只有很小的变化，这是因为耦合到3，4端口之间耦合线的能量比较小，对输入反射系数影响比较小，而在改进型中，并没有改变除了高阻抗线以外的参数。S31和S41均有变化，尤其是s41变化很明显，从-25dB变到-51dB，而S31也有变化，从-19dB变化到-21dB。S31的变化主要是因为增加了高阻抗线，3端口的匹配状况发生改变，反射增加了，因此3端口的能量有小幅度下降。 S41下降非常明显，到了近乎-51dB，致使定向性超过30dB，这是因为高阻抗线的反射抵消。这个定向性已经非常高，超过了市场上绝大多数的定向耦合器的指标，这样的定向耦合器在RFID系统的应用中是很有用的。值得指出的是，虽然应用了这样高性能的耦合器，reader信号仍然比tag信号要大很多，但系统分辨力是增加了，可以识别更小功率的tag散射信号。如果两种信号幅度相差不是特别大，可以在放大器不饱和的条件下得到tag散射信号。

但是从图3中也可以看出耦合器的缺点，最明显的就是高定向性的带宽非常窄，20dB也只有20MHz左右，这是因为耦合器本身性能比较差。如果是一个性能本身较好的耦合器，再加上高阻抗线进行调节，可以得到一个比较满意的频率特性。而中间最低的903MHz处能显示出这么高的定向性，显然是由于在这个频率上，隔离端的漏信号刚好和反射抵消信号是反向的。

3 结论

在RFID系统中，耦合器，环形器等多端口网络是非常重要的部件，主要是用于分离reader和tag信号。但是市场上一般的定向耦合器最多只能达到20dB的定向性，这样的耦合器很有局限性。应用于RFID系统中，分离tag信号的能力比较弱，或者说，只有在tag信号比较强时才能从信道中分离出。因此需要对其结构进行改进。

理论上的定向耦合器在隔离端的信号强度为0，但是在实际中，由于奇偶模相速度的不平衡，在传输的过程中，奇偶模的分量往往发生改变，隔离端的信号便不为0，甚至很大。在文中提出的那款模型，隔离端泄露的信号强度就非常大，仅仅比耦合端小6dB左右。为了提高定向性，提出了添加高阻抗线法，这种方法是利用高阻抗线终端的反射信号来抵消隔离端的泄露信号。

高阻抗线的一个重要结论是，其终端到耦合端的电长度大约为90°。根据微带耦合器理论，要达到最佳的耦合效果，耦合端和隔离端的长度大约为90°，信号相位也相差90°。反射信号要与隔离端信号相差180°，在高阻抗线终端反射回耦合端的信号与耦合端原信号必须反向，这样才能在传输90°以后和隔离端的信号正好反向。另外通过改变高阻