??? 摘? 要： 基于傳統(tǒng)微帶線定向耦合器的方向性和耦合性，利用端口阻抗的失配效應，設計出一種隔離度高、方向性好的改進型耦合器。測試結果表明,改進后定向耦合器的隔離度大大提高，在中心頻率915MHz處隔離度高達58.875dB，方向性約為45dB，能有效抑制載波泄漏到接收鏈路中，能很好地滿足902MHz～928MHz頻段RFID閱讀器收發(fā)隔離的需求。?
??? 關鍵詞： RFID； 射頻鏈路； 定向耦合器； 阻抗失配； 高隔離度
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??? 超高頻RFID（UHF Radio Frequency Identification）是指工作頻率在300MHz～3GHz頻段內的一種非接觸無線識別技術，其基本原理是利用射頻信號和雷達反射的傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。由于其具有工作頻率高、可讀寫距離長、標簽尺寸小等優(yōu)點而備受關注，加之我國在900MHz頻段的RFID標準已經確立[1],目前超高頻RFID已成為研究探討的重點方向之一。然而，由于受RFID閱讀器設計水平的局限和干擾源的廣泛存在，目前制約UHF RFID應用的問題較多，其中一個重要的問題是由于射頻收發(fā)鏈路隔離效果不好，導致載波泄漏嚴重而影響閱讀器的接收性能，進而引起相對較高的誤碼率。?
??? 本文針對超高頻RFID系統(tǒng)討論了閱讀器射頻收發(fā)鏈路之間隔離的重要性，并基于傳統(tǒng)的微帶線定向耦合器，利用端口阻抗的失配效應，改進設計出一種簡易、高隔離度的定向耦合器，可適用于閱讀器射頻鏈路的收發(fā)隔離。測試結果表明，改進后定向耦合器的隔離度大大提高，較好地解決了泄漏載波的干擾問題，有較強的可行性和實用性。?
1 閱讀器射頻鏈路收發(fā)隔離的必要性?
??? 超高頻射頻識別系統(tǒng)主要由標簽和閱讀器兩部分組成，標簽大多是無源的，本身沒有能量，需要從閱讀器發(fā)出的射頻能量中提取其工作所需的電源；閱讀器實際上是一個無線收發(fā)器，它有兩個分隔開的信號鏈路，分別用于發(fā)送和接收往返標簽兩個方向的信號，如圖1所示。閱讀器與其他收發(fā)器最大的區(qū)別在于：它在接收標簽返回信號的同時，還必須向標簽發(fā)射連續(xù)載波信號為其提供工作能量。?
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??? 當射頻信號鏈路的隔離性能不夠好時，載波信號很容易從發(fā)射鏈路泄漏到接收鏈路，形成對有用信號的干擾。顯然，影響干擾信號強度的主要因素是載波的發(fā)射功率，而這個發(fā)射功率不能過小，應當保證標簽正常工作所需的能量（即激活能量）。由于射頻信號是通過電磁波來傳遞能量的,因此，標簽天線捕獲的能量與空間環(huán)境的反射、傳媒介質的吸收等因素有關, 在理想自由空間和連續(xù)載波的情況下,有下面的近似公式[2]:?
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式中，PTag為標簽天線接收到的能量，PTx為閱讀器的發(fā)射功率，GRx、GTx分別為標簽接收天線和閱讀器發(fā)射天線的增益, R為閱讀器和標簽之間的工作距離。典型的低功耗電子標簽工作電壓為1.2V左右，標簽被激活所需的功率為50μW（－13dBm）甚至可為5μW(－23dBm)[3]。假定閱讀器天線增益為6dBi,標簽接收天線增益為2dBi[4], 工作距離為5m，根據(jù)式(2)計算可知，激活標簽的最小發(fā)射功率為24.6dBm，考慮到發(fā)送端饋線以及其他損耗L(取2.5dB)，為了讀取相距5m的標簽,射頻信號的發(fā)射功率必須大于27dBm。?
??? 當標簽被激活后，發(fā)射的射頻信號在標簽上受到散射，其中一小部分散射返回的能量被閱讀器的天線捕獲(只有約為－67dBm)[5]。由于無源標簽自身不帶電源，由外部供電，在系統(tǒng)處于接收狀態(tài)時，閱讀器還需要發(fā)射連續(xù)同頻載波給標簽提供直流能量，從式(2)的結果可知，激活工作距離為5m的標簽的最小射頻能量是27dBm，而市場上用于RFID定向耦合器或環(huán)行器的隔離度典型值在22dB左右，可見，至少有5dBm的載波信號直接泄漏到接收鏈路中，遠遠大于天線接收到的有用信號。這樣，有用信號將會被干擾信號淹沒，導致接收機無法從所收到的各種信號中甄別出標簽反射的微弱信號，使靈敏度和動態(tài)范圍大大降低，而且這兩個信號是處于同一頻段的，接收機的天線濾波器是無法濾除頻率靠得這么近的干擾大信號，很可能出現(xiàn)接收信號被堵塞的情況[6]，嚴重影響閱讀器的接收性能。?
2 一種高隔離度定向耦合器的設計?
??? 為了盡可能減少同頻泄漏載波信號的干擾，電路中通常采用定向耦合器或者環(huán)行器進行收發(fā)隔離。相對環(huán)行器而言，定向耦合器制作簡單、成本低、容易實現(xiàn)，從而更受青睞。定向耦合器之所以可以用于閱讀器收發(fā)隔離是因為它具有定向傳輸?shù)奶匦?。然而由微帶線構成的非均勻介質填充的定向耦合器，其奇、偶模的相速不同使得定向耦合器的方向性很低，從而導致其隔離特性也不好，而且耦合愈緊，相速相差愈大，方向性也就愈差[7]，所以這種傳統(tǒng)的微帶線定向耦合器很難達到完全隔離的效果。?
??? 本文基于傳統(tǒng)微帶線定向耦合器的方向性和耦合性，通過一種改進型的結構，使得定向耦合器的隔離性能大大提高。其設計思想是：在定向耦合器的隔離端口添加一個與泄漏信號等幅反相的補償信號，從而使之與泄漏的載波信號因疊加而抵消或減弱[8-9]。改進型耦合器的原理示意圖如圖2所示,其中1－2與3－4是兩根微帶傳輸線，1、2、3、4的端口阻抗是理想匹配到50Ω，即激勵信號從端口通過時不會有信號反射回來。當射頻信號由端口1（發(fā)射端口）輸入時，大部分經主傳輸線從端口2（天線端口）輸出，插入損耗小于1dB，再由與端口2相連的天線輻射出去；另一部分經電磁耦合從端口4輸出，而端口1與端口3理論上是相互隔離的[10]。由于傳統(tǒng)微帶線定向耦合器的隔離度很差，一般情況下，隔離度只能做到10～20dB，會有一些信號從主傳輸線上泄漏到端口3（接收端口），從而構成對接收信號的干擾。為了增強耦合器的隔離特性,利用端口4（失配端口）阻抗不匹配引起信號反射的特性來實現(xiàn)在端口3添加等幅反相的補償信號。通過調節(jié)端口4的阻抗,使耦合到該端口的信號朝與之反向的端口3傳輸。如果端口4阻抗調整適當,則使得反向傳輸?shù)蕉丝?的信號與從端口1泄漏到端口3的信號是等幅且反相的。最后由于這兩個反相信號疊加能夠減弱射頻信號在端口3的泄漏,從而達到增大隔離和減少干擾的目的。利用Agilent ADS 2005A仿真軟件對端口4的阻抗和微帶尺寸進行優(yōu)化,很容易找到該端口阻抗的理想值。本設計是根據(jù)閱讀器工作的超高頻頻段（這里是902MHz～928MHz），基于傳統(tǒng)的微帶線定向耦合器(其耦合度為12dB)改進設計的,經過ADS優(yōu)化后得到改進型定向耦合器仿真電路圖如圖3所示。?
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??? 圖4是根據(jù)上述設計思想制作的定向耦合器PCB實物圖，PCB板材采用常見的FR-4,相對介電常數(shù)取4.3,介質厚度為1.2mm,失配的端口通過開路的分支微帶線來完成,也可以通過短路分支線或者集總元件等來實現(xiàn)。?
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其中具體的物理尺寸:定向耦合器耦合線之間的間距S=0.43mm,耦合區(qū)長度L1=46.88mm,微帶線橫截面的寬度W=2.1mm,失配的端口是通過開路分支線和并聯(lián)的50Ω終端組成,開路分支線的長度L3=18.7mm,距離50Ω終端的長度L4=6.5mm,與耦合器的端口1之間的距離L2=36.4mm。為了減小端口連接帶來的誤差,在每個端口都加入LS=10mm的微帶線。?
3 仿真和測試結果?
??? 利用ADS軟件對改進前后微帶線定向耦合器的性能進行對比仿真，仿真結果如圖5所示。?
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??? 仿真結果表明，改進前后微帶線定向耦合器的耦合度幾乎沒有變化，約為12.6dB左右。然而，兩者的隔離度卻有顯著差別：改進前微帶線定向耦合器在915MHz處只有22.852dB的隔離度,其方向性僅為10dB左右；而改進后的隔離度在902MHz～928MHz范圍內均高達46dB, 在915MHz取得最大值為85.245dB,方向性約為72dB。可見，改進后的定向耦合器隔離度大大提高，使泄漏到接收鏈路的載波信號減小約62dB，大大提高了接收鏈路的靈敏度，改善了閱讀器的接收性能。?
??? 通過網絡矢量分析儀Agilent 8719ES測得改進前后定向耦合器的隔離度如圖6所示。?
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??? 測試結果和仿真結果相吻合，改進前微帶線耦合器的隔離度在915MHz處僅為23.261dB，如圖6(a)所示)；而改進后隔離度可達58.875dB,在902MHz～928MHz范圍內均大于45.9dB，如圖6(b)所示。測試數(shù)據(jù)有些偏差是PCB板的加工精度造成的，但是與傳統(tǒng)的微帶線定向耦合器相比，其隔離特性還是得到了很大的提高。盡管定向耦合器耦合的插入損耗會使接收到的有用信號有所減弱，但可通過接收鏈路中的前級低噪聲放大器來彌補它的插入損耗。?
??? 在超高頻射頻識別系統(tǒng)中，載波信號的泄漏會嚴重影響閱讀器的工作性能。本文針對這一問題，利用端口阻抗的失配效應，在傳統(tǒng)微帶線定向耦合器的基礎上設計出一種隔離度高、方向性好的結構。這種改進型結構使得定向耦合器的隔離特性得到很大的提高，在中心頻率為915MHz處隔離度可達58.875dB,在902MHz～928MHz范圍內也均大于45.9dB，能有效抑制載波信號泄漏到接收鏈路中，從而很好地解決了載波泄漏的問題，具有較好的實用性，適用于RFID閱讀器射頻鏈路的收發(fā)隔離電路中。?
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