??? 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(yīng)，設(shè)計(jì)出一種隔離度高、方向性好的改進(jìn)型耦合器。測(cè)試結(jié)果表明,改進(jìn)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(dá)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(guān)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(nèi)的一種非接觸無(wú)線識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和雷達(dá)反射的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。由于其具有工作頻率高、可讀寫距離長(zhǎng)、標(biāo)簽尺寸小等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，加之我國(guó)在900MHz頻段的RFID標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)確立[1],目前超高頻RFID已成為研究探討的重點(diǎn)方向之一。然而，由于受RFID閱讀器設(shè)計(jì)水平的局限和干擾源的廣泛存在，目前制約UHF RFID應(yīng)用的問題較多，其中一個(gè)重要的問題是由于射頻收發(fā)鏈路隔離效果不好，導(dǎo)致載波泄漏嚴(yán)重而影響閱讀器的接收性能，進(jìn)而引起相對(duì)較高的誤碼率。?
??? 本文針對(duì)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(yīng)，改進(jìn)設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)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(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)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(qiáng)的可行性和實(shí)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(shí)別系統(tǒng)主要由標(biāo)簽和閱讀器兩部分組成，標(biāo)簽大多是無(wú)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(shí)際上是一個(gè)無(wú)線收發(fā)器，它有兩個(gè)分隔開的信號(hào)鏈路，分別用于發(fā)送和接收往返標(biāo)簽兩個(gè)方向的信號(hào)，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(biāo)簽返回信號(hào)的同時(shí)，還必須向標(biāo)簽發(fā)射連續(xù)載波信號(hào)為其提供工作能量。?
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??? 當(dāng)射頻信號(hào)鏈路的隔離性能不夠好時(shí)，載波信號(hào)很容易從發(fā)射鏈路泄漏到接收鏈路，形成對(duì)有用信號(hào)的干擾。顯然，影響干擾信號(hào)強(qiáng)度的主要因素是載波的發(fā)射功率，而這個(gè)發(fā)射功率不能過(guò)小，應(yīng)當(dāng)保證標(biāo)簽正常工作所需的能量（即激活能量）。由于射頻信號(hào)是通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的,因此，標(biāo)簽天線捕獲的能量與空間環(huán)境的反射、傳媒介質(zhì)的吸收等因素有關(guān), 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(biāo)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(biāo)簽接收天線和閱讀器發(fā)射天線的增益, R為閱讀器和標(biāo)簽之間的工作距離。典型的低功耗電子標(biāo)簽工作電壓為1.2V左右，標(biāo)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(biāo)簽接收天線增益為2dBi[4], 工作距離為5m，根據(jù)式(2)計(jì)算可知，激活標(biāo)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(biāo)簽,射頻信號(hào)的發(fā)射功率必須大于27dBm。?
??? 當(dāng)標(biāo)簽被激活后，發(fā)射的射頻信號(hào)在標(biāo)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(wú)源標(biāo)簽自身不帶電源，由外部供電，在系統(tǒng)處于接收狀態(tài)時(shí)，閱讀器還需要發(fā)射連續(xù)同頻載波給標(biāo)簽提供直流能量，從式(2)的結(jié)果可知，激活工作距離為5m的標(biāo)簽的最小射頻能量是27dBm，而市場(chǎng)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(hào)直接泄漏到接收鏈路中，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天線接收到的有用信號(hào)。這樣，有用信號(hào)將會(huì)被干擾信號(hào)淹沒，導(dǎo)致接收機(jī)無(wú)法從所收到的各種信號(hào)中甄別出標(biāo)簽反射的微弱信號(hào)，使靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍大大降低，而且這兩個(gè)信號(hào)是處于同一頻段的，接收機(jī)的天線濾波器是無(wú)法濾除頻率靠得這么近的干擾大信號(hào)，很可能出現(xiàn)接收信號(hào)被堵塞的情況[6]，嚴(yán)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(shè)計(jì)?
??? 為了盡可能減少同頻泄漏載波信號(hào)的干擾，電路中通常采用定向耦合器或者環(huán)行器進(jìn)行收發(fā)隔離。相對(duì)環(huán)行器而言，定向耦合器制作簡(jiǎn)單、成本低、容易實(shí)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?yàn)樗哂卸ㄏ騻鬏數(shù)奶匦浴Ｈ欢晌Ь€構(gòu)成的非均勻介質(zhì)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(dǎo)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(dá)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(guò)一種改進(jìn)型的結(jié)構(gòu)，使得定向耦合器的隔離性能大大提高。其設(shè)計(jì)思想是：在定向耦合器的隔離端口添加一個(gè)與泄漏信號(hào)等幅反相的補(bǔ)償信號(hào)，從而使之與泄漏的載波信號(hào)因疊加而抵消或減弱[8-9]。改進(jìn)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(lì)信號(hào)從端口通過(guò)時(shí)不會(huì)有信號(hào)反射回來(lái)。當(dāng)射頻信號(hào)由端口1（發(fā)射端口）輸入時(shí)，大部分經(jīng)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(jīng)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(huì)有一些信號(hào)從主傳輸線上泄漏到端口3（接收端口），從而構(gòu)成對(duì)接收信號(hào)的干擾。為了增強(qiáng)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(hào)反射的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)在端口3添加等幅反相的補(bǔ)償信號(hào)。通過(guò)調(diào)節(jié)端口4的阻抗,使耦合到該端口的信號(hào)朝與之反向的端口3傳輸。如果端口4阻抗調(diào)整適當(dāng),則使得反向傳輸?shù)蕉丝?的信號(hào)與從端口1泄漏到端口3的信號(hào)是等幅且反相的。最后由于這兩個(gè)反相信號(hào)疊加能夠減弱射頻信號(hào)在端口3的泄漏,從而達(dá)到增大隔離和減少干擾的目的。利用Agilent ADS 2005A仿真軟件對(duì)端口4的阻抗和微帶尺寸進(jìn)行優(yōu)化,很容易找到該端口阻抗的理想值。本設(shè)計(jì)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(jìn)設(shè)計(jì)的,經(jīng)過(guò)ADS優(yōu)化后得到改進(jìn)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(shè)計(jì)思想制作的定向耦合器PCB實(shí)物圖，PCB板材采用常見的FR-4,相對(duì)介電常數(shù)取4.3,介質(zhì)厚度為1.2mm,失配的端口通過(guò)開路的分支微帶線來(lái)完成,也可以通過(guò)短路分支線或者集總元件等來(lái)實(shí)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(zhǎng)度L1=46.88mm,微帶線橫截面的寬度W=2.1mm,失配的端口是通過(guò)開路分支線和并聯(lián)的50Ω終端組成,開路分支線的長(zhǎng)度L3=18.7mm,距離50Ω終端的長(zhǎng)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(lái)的誤差,在每個(gè)端口都加入LS=10mm的微帶線。?
3 仿真和測(cè)試結(jié)果?
??? 利用ADS軟件對(duì)改進(jìn)前后微帶線定向耦合器的性能進(jìn)行對(duì)比仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。?
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??? 仿真結(jié)果表明，改進(jìn)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(jìn)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(jìn)后的隔離度在902MHz～928MHz范圍內(nèi)均高達(dá)46dB, 在915MHz取得最大值為85.245dB,方向性約為72dB。可見，改進(jìn)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(hào)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(guò)網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀Agilent 8719ES測(cè)得改進(jìn)前后定向耦合器的隔離度如圖6所示。?
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??? 測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果相吻合，改進(jìn)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(jìn)后隔離度可達(dá)58.875dB,在902MHz～928MHz范圍內(nèi)均大于45.9dB，如圖6(b)所示。測(cè)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(huì)使接收到的有用信號(hào)有所減弱，但可通過(guò)接收鏈路中的前級(jí)低噪聲放大器來(lái)彌補(bǔ)它的插入損耗。?
??? 在超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)中，載波信號(hào)的泄漏會(huì)嚴(yán)重影響閱讀器的工作性能。本文針對(duì)這一問題，利用端口阻抗的失配效應(yīng)，在傳統(tǒng)微帶線定向耦合器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種隔離度高、方向性好的結(jié)構(gòu)。這種改進(jìn)型結(jié)構(gòu)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(dá)58.875dB,在902MHz～928MHz范圍內(nèi)也均大于45.9dB，能有效抑制載波信號(hào)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(shí)用性，適用于RFID閱讀器射頻鏈路的收發(fā)隔離電路中。?
參考文獻(xiàn) ?
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