??? 摘? 要： 基于傳統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系統討論了閱讀器射頻收發鏈路之間隔離的重要性，并基于傳統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隔離的必要性?
??? 超高頻射頻識別系統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器，它有兩個分隔開的信號鏈路，分別用于發送和接收往返標簽兩個方向的信號，如圖1所示。閱讀器與其他收發器最大的區別在于：它在接收標簽返回信號的同時，還必須向標簽發射連續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射功率，而這個發射功率不能過小，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為閱讀器的發射功率，GRx、GTx分別為標簽接收天線和閱讀器發射天線的增益, 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，根據式(2)計算可知，激活標簽的最小發射功率為24.6dBm，考慮到發送端饋線以及其他損耗L(取2.5dB)，為了讀取相距5m的標簽,射頻信號的發射功率必須大于27dBm。?
??? 當標簽被激活后，發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，在系統處于接收狀態時，閱讀器還需要發射連續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行器進行收發隔離。相對環行器而言，定向耦合器制作簡單、成本低、容易實現，從而更受青睞。定向耦合器之所以可以用于閱讀器收發隔離是因為它具有定向傳輸的特性。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在端口3添加等幅反相的補償信號。通過調節端口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,則使得反向傳輸到端口3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化,很容易找到該端口阻抗的理想值。本設計是根據閱讀器工作的超高頻頻段（這里是902MHz～928MHz），基于傳統的微帶線定向耦合器(其耦合度為12dB)改進設計的,經過ADS優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。?
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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。測試數據有些偏差是PCB板的加工精度造成的，但是與傳統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隔離電路中。?
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