RFID系統(tǒng)中耦合器定向性的提高方法

　　RFID系統(tǒng)在全球的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛，被譽(yù)為21世紀(jì)將會(huì)快速發(fā)展的新型技術(shù)。RFID系統(tǒng)可以應(yīng)用于多個(gè)頻段，不同頻段有著不同的特點(diǎn)，UHF頻段的RFID系統(tǒng)讀取速度較快，識(shí)別距離較遠(yuǎn)，近年來(lái)得到了很快的發(fā)展。本文將重點(diǎn)討論在UHF頻段中，RFID系統(tǒng)中微帶定向耦合器設(shè)計(jì)的改進(jìn)方案。

　　在很多RFID系統(tǒng)中，有一些微波多端口器件，放置于reader天線(xiàn)和信號(hào)處理模塊中間，用以分離輸出的reader信號(hào)和tag散射的信號(hào)，比如環(huán)形器，定向耦合器等等。環(huán)形器體積較大，又需要鐵氧體材料，制作成本較高，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(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。微帶耦合器一般是用一段長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)的微帶耦合線(xiàn)構(gòu)成，在平行的兩段導(dǎo)帶兩端分別加上兩個(gè)端口，構(gòu)成定向耦合器的四端口網(wǎng)絡(luò)。

　　但是，因?yàn)槲Ь€(xiàn)傳輸?shù)哪Ｊ讲皇菄?yán)格的TEM波，有少量的縱向場(chǎng)分量，造成了奇偶模式傳輸相速度不平衡，直接導(dǎo)致了微帶耦合器的定向性降低。如公式(1)所示：

　　在這個(gè)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(huì)影響到微帶耦合器的耦合性能和定向性能，還會(huì)使得頻帶變窄。在這一點(diǎn)上，帶狀線(xiàn)比微帶線(xiàn)要好一些，因?yàn)閹铖詈暇€(xiàn)周?chē)畛浣橘|(zhì)是均勻的，奇偶模相速度一致，傳輸TEM波，本身就比微帶線(xiàn)要有優(yōu)勢(shì)，但加工要麻煩一些，粘合中還會(huì)引入別的誤差。

　　正因?yàn)樯鲜龅脑?，現(xiàn)在市場(chǎng)上的定向耦合器的隔離度僅僅只有-30 dB左右，定向性通常不會(huì)超過(guò)20 dB。本文所介紹的一種新型的改進(jìn)方案，即是在耦合端添加高阻抗線(xiàn)，使得耦合端不匹配，有一定量的反射。這種反射能量經(jīng)過(guò)微帶線(xiàn)傳輸至隔離端，從而抵消部分隔離端的泄露能量，使得定向性大大提高。在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，可以看到，在指定頻點(diǎn)，隔離度可以達(dá)到-50dB以下，定向性可以達(dá)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(gè)四端口器件，中間是一段耦合線(xiàn)。四個(gè)端口分別連接于外部的50 Ω端口。從5點(diǎn)到7點(diǎn)是高阻抗線(xiàn)，7端點(diǎn)接地，這個(gè)長(zhǎng)度是一個(gè)變量。連接每個(gè)端口(3端口除外)的微帶線(xiàn)寬度是2.25 mm，長(zhǎng)度是14.4 mm，3端口連接的微帶線(xiàn)寬度是1.4 mm，長(zhǎng)度是5 mm。耦合線(xiàn)的長(zhǎng)度是57.7 mm，導(dǎo)帶寬度是2.1 mm，導(dǎo)帶間距是O.45 mm。本文主要討論高阻抗線(xiàn)的作用，所以

　　先將高阻抗線(xiàn)長(zhǎng)度置于零。PCB板采用PTFE材料，介電常數(shù)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(gè)條線(xiàn)的特性阻抗和電長(zhǎng)度。連接1，2，4端口的微帶線(xiàn)特性阻抗為36.24 Ω，電長(zhǎng)度為22.6°，連接3端口的微帶線(xiàn)特性阻抗是50 Ω，電長(zhǎng)度為8.2°。耦合線(xiàn)的特性阻抗是37.5 Ω，奇模阻抗為33.72 Ω，偶模阻抗為41.73 Ω，耦合度為-19.48 dB，電長(zhǎng)度92.4°。理論上說(shuō)，如果耦合線(xiàn)的長(zhǎng)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(duì)這樣一款定向耦合器的仿真結(jié)果如圖2所示。