一種提高RFID系統中耦合器定向性的方法

摘要：微帶的定向耦合器是一些RFID系統中的關(guān)鍵性部件，功能一般是分離存在于信道中reader輸出的信號和從天線(xiàn)接收的tag信號。定向耦合器的性能直接影響了系統所能辨識tag信號的能力，系統一般要求性能比較良好的定向耦合器。但是由于微帶型定向耦合器其本身的奇偶模不平衡性，定向性一般不高。這里介紹一種新型的改進(jìn)方法，通過(guò)調節耦合端的高阻抗線(xiàn)長(cháng)度和寬度，使得定向性得到很大的提高。
關(guān)鍵詞：RFID；定向耦合器；高阻抗線(xiàn)；定向性

0 引言
RFID系統在全球的應用已經(jīng)越來(lái)越廣泛，被譽(yù)為21世紀將會(huì )快速發(fā)展的新型技術(shù)。RFID系統可以應用于多個(gè)頻段，不同頻段有著(zhù)不同的特點(diǎn)，UHF頻段的RFID系統讀取速度較快，識別距離較遠，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系統中微帶定向耦合器設計的改進(jìn)方案。
在很多RFID系統中，有一些微波多端口器件，放置于reader天線(xiàn)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，因此在這些系統中得到了廣泛的應用。微帶耦合器一般是用一段長(cháng)度為1／4波長(cháng)的微帶耦合線(xiàn)構成，在平行的兩段導帶兩端分別加上兩個(gè)端口，構成定向耦合器的四端口網(wǎng)絡(luò )。
但是，因為微帶線(xiàn)傳輸的模式不是嚴格的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，因為帶狀耦合線(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，但加工要麻煩一些，粘合中還會(huì )引入別的誤差。
正因為上述的原因，現在市場(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)驗中，可以看到，在指定頻點(diǎn)，隔離度可以達到-50dB以下，定向性可以達到-30dB。

1 耦合器模型的理論分析和仿真
微帶定向耦合器在A(yíng)DS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(cháng)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(cháng)度是14．4 mm，3端口連接的微帶線(xiàn)寬度是1．4 mm，長(cháng)度是5 mm。耦合線(xiàn)的長(cháng)度是57．7 mm，導帶寬度是2．1 mm，導帶間距是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(cháng)度置于零。PCB板采用PTFE材料，介電常數是2．5，厚度是0．5cm。