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方法，通過調節耦合端的高阻抗線長度和寬度，使得定向性得到很大的提高。
關鍵詞：RFID；定向耦合器；高阻抗線；定向性

0 引言
RFID系統在全球的應用已經越來越廣泛，被譽為21世紀將會快速發展的新型技術。RFID系統可以應用于多個頻段，不同頻段有著不同的特點，UHF頻段的RFID系統讀取速度較快，識別距離較遠，近年來得到了很快的發展。本文將重點討論在UHF頻段中，RFID系統中微帶定向耦合器設計的改進方案。
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，比如環形器，定向耦合器等等。環形器體積較大，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度為1／4波長的微帶耦合線構成，在平行的兩段導帶兩端分別加上兩個端口，構成定向耦合器的四端口網絡。
但是，因為微帶線傳輸的模式不是嚴格的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，介電常數是2．5，厚度是0．5cm。