RFID系统中耦合器定向性的提高方法

 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-30 dB左右，定向性通常不会超过20 dB。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50 Ω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2.25 mm，长度是14.4 mm，3端口连接的微带线宽度是1.4 mm，长度是5 mm。耦合线的长度是57.7 mm，导带宽度是2.1 mm，导带间距是O.45 mm。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36.24 Ω，电长度为22.6°，连接3端口的微带线特性阻抗是50 Ω，电长度为8.2°。耦合线的特性阻抗是37.5 Ω，奇模阻抗为33.72 Ω，偶模阻抗为41.73 Ω，耦合度为-19.48 dB，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。