提高RFID系统中耦合器定向性设计

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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，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。另外通过改变高阻抗线的线宽，可以调节反射信号的强弱。遵循这一原则，通过对高阻抗线的调节，使得耦合器在 903MHz时，达到-50dB的隔离度，并使定向性达到30dB以上。