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)越來越廣泛，被譽為21世紀(jì)將會快速發(fā)展的新型技術(shù)。RFID系統(tǒng)可以應(yīng)用于多個頻段，不同頻段有著不同的特點，UHF頻段的RFID系統(tǒng)讀取速度較快，識別距離較遠(yuǎn)，近年來得到了很快的發(fā)展。本文將重點討論在UHF頻段中，RFID系統(tǒng)中微帶定向耦合器設(shè)計的改進(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天線和信號處理模塊中間，用以分離輸出的reader信號和tag散射的信號，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度為1/4波長的微帶耦合線構(gòu)成，在平行的兩段導(dǎo)帶兩端分別加上兩個端口，構(gòu)成定向耦合器的四端口網(wǎng)絡(luò)。

　　但是，因為微帶線傳輸?shù)哪Ｊ讲皇菄?yán)格的TEM波，有少量的縱向場分量，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，這不但會影響到微帶耦合器的耦合性能和定向性能，還會使得頻帶變窄。在這一點上，帶狀線比微帶線要好一些，因為帶狀耦合線周圍填充介質(zhì)是均勻的，奇偶模相速度一致，傳輸TEM波，本身就比微帶線要有優(yōu)勢，但加工要麻煩一些，粘合中還會引入別的誤差。

　　正因為上述的原因，現(xiàn)在市場上的定向耦合器的隔離度僅僅只有-30 dB左右，定向性通常不會超過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，使得耦合端不匹配，有一定量的反射。這種反射能量經(jīng)過微帶線傳輸至隔離端，從而抵消部分隔離端的泄露能量，使得定向性大大提高。在接下來的實驗中，可以看到，在指定頻點，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。是一個四端口器件，中間是一段耦合線。四個端口分別連接于外部的50 Ω端口。從5點到7點是高阻抗線，7端點接地，這個長度是一個變量。連接每個端口(3端口除外)的微帶線寬度是2.25 mm，長度是14.4 mm，3端口連接的微帶線寬度是1.4 mm，長度是5 mm。耦合線的長度是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的作用，所以

　　先將高阻抗線長度置于零。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，可以得到各個條線的特性阻抗和電長度。連接1，2，4端口的微帶線特性阻抗為36.24 Ω，電長度為22.6°，連接3端口的微帶線特性阻抗是50 Ω，電長度為8.2°。耦合線的特性阻抗是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，電長度92.4°。理論上說，如果耦合線的長度為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，對這樣一款定向耦合器的仿真結(jié)果如圖2所示。