中心議題：

• 耦合器模型的理論分析和仿真
• 耦合器的改進方法及效果

解決方案：

• 添加高阻抗線法

RFID係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係統可以應用於多個頻段，不同頻段有著不同的特點，UHF頻段的RFID係統讀取速度較快

，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係統中微帶定向耦合器設計的改進方案。

在很多RFID係統中，有一些微波多端口器件，放置於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(san)射(she)的(de)信(xin)號(hao)，比(bi)如(ru)環(huan)形(xing)器(qi)
，定(ding)向(xiang)耦(ou)合(he)器(qi)等(deng)等(deng)。環(huan)形(xing)器(qi)體(ti)積(ji)較(jiao)大(da)，又(you)需(xu)要(yao)鐵(tie)氧(yang)體(ti)材(cai)料(liao)，製(zhi)作(zuo)成(cheng)本(ben)較(jiao)高(gao)
，而(er)微(wei)帶(dai)型(xing)的(de)定(ding)向(xiang)耦(ou)合(he)器(qi)通(tong)常(chang)體(ti)積(ji)比(bi)較(jiao)小(xiao)，又(you)很(hen)容(rong)易(yi)加(jia)工(gong)
，因(yin)此(ci)在(zai)這(zhe)些(xie)係(xi)統(tong)中(zhong)得(de)到(dao)了(le)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)。微(wei)帶(dai)耦(ou)合(he)器(qi)一(yi)般(ban)是(shi)用(yong)一(yi)段(duan)長(chang)度(du)為(wei)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cong上shang式shi可ke以yi看kan出chu，奇qi偶ou模mo相xiang速su度du是shi不bu一yi樣yang的de，這zhe不bu但dan會hui影ying響xiang到dao微wei帶dai耦ou合he器qi的de耦ou合he性xing能neng和he定ding向xiang性xing能neng，還hai會hui使shi得de頻pin帶dai變bian窄zhai。在zai這zhe一yi點dian上shang，帶dai狀zhuang線xian比bi微wei帶dai線xian要yao好hao一yi些xie，因yin為wei帶dai狀zhuang耦ou合he線xian周zhou圍wei填tian充chong介jie質zhi是shi均jun勻yun的de
，奇qi偶ou模mo相xiang速su度du一yi致zhi，傳chuan輸shuTEM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隻有-30dB左右，定向性通常不會超過20dB。本(ben)文(wen)所(suo)介(jie)紹(shao)的(de)一(yi)種(zhong)新(xin)型(xing)的(de)改(gai)進(jin)方(fang)案(an)，即(ji)是(shi)在(zai)耦(ou)合(he)端(duan)添(tian)加(jia)高(gao)阻(zu)抗(kang)線(xian)，使(shi)得(de)耦(ou)合(he)端(duan)不(bu)匹(pi)配(pei)，有(you)一(yi)定(ding)量(liang)的(de)反(fan)射(she)。這(zhe)種(zhong)反(fan)射(she)能(neng)量(liang)經(jing)過(guo)微(wei)帶(dai)線(xian)傳(chuan)輸(shu)至(zhi)隔(ge)離(li)端(duan)，從(cong)而(er)抵(di)消(xiao)部(bu)分(fen)隔(ge)離(li)端(duan)的(de)泄(xie)露(lu)能(neng)量(liang)，使(shi)得(de)定(ding)向(xiang)性(xing)大(da)大(da)提(ti)高(gao)。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。四個端口分別連接於外部的50Ω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2.25mm
，長度是14.4mm，3端口連接的微帶線寬度是1.4mm
，長度是5mm。耦合線的長度是57.7mm

，導帶寬度是2.1mm，導帶間距是O.45mm。本文主要討論高阻抗線的作用
，所以先將高阻抗線長度置於零。PCB板采用PTFE材料，介電常數是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36.24Ω

，電長度為22.6°，連接3端口的微帶線特性阻抗是50Ω，電長度為8.2°。耦合線的特性阻抗是37.5Ω


，奇模阻抗為33.72Ω，偶模阻抗為41.73Ω，耦合度為 -19.48dB，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果如圖2所示。

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式中：C為耦合度；V3為耦合端輸出電壓；V0為耦合器輸入端電壓。顯然，當長度為90° 時，tanθ=0，V3=CV0，耦合端信號最大。而該耦合器的長度為92.4°，基本上符合耦合器的基本理論，這個耦合度的數值應該和S31的數值接近。從後麵的分析中可以看到，這個數值和矩量法計算的結果是基本一致的。另一個重要的參數是S41這個參數在理想耦合器理論中為0，但實際中顯然不為0
，因為奇偶模的不平衡性，其性能有可能變差，甚至很差。另外用傳輸線等效理論分析辦法，分析輸入S11參(can)數(shu)，但(dan)這(zhe)種(zhong)辦(ban)法(fa)也(ye)隻(zhi)能(neng)是(shi)粗(cu)略(lve)的(de)分(fen)析(xi)，這(zhe)是(shi)由(you)於(yu)微(wei)帶(dai)線(xian)傳(chuan)輸(shu)的(de)奇(qi)偶(ou)模(mo)相(xiang)速(su)度(du)不(bu)平(ping)衡(heng)，奇(qi)偶(ou)模(mo)分(fen)量(liang)也(ye)很(hen)難(nan)計(ji)算(suan)。不(bu)過(guo)因(yin)為(wei)耦(ou)合(he)度(du)比(bi)較(jiao)低(di)

，可(ke)以(yi)假(jia)設(she)1端口到2端口的耦合線為一根獨立的無耗傳輸線來計算。1，2端口的阻抗均是50Ω。利用公式(3)可以計算的結果是，Zin1=44.25-j10.24 Ω，Zin2=30.7+j7.71 Ω，Zin3=37.12+j10.65 Ω。這裏的1
，2，3指的是圖上標的點。用公式(4)可以計算得到Γ=0.13+j0.138
，S11=-14.4dB
，從這個數據上看來阻抗匹配不是很好。現在的理論分析結果用以和後麵的矩量法計算結果進行比較。

圖2(a)是S31和S41的圖
，在900MHz時S31為-19.116dB，S41為-25.589dB。圖 2(b)是S11的圖
，在800MHz～1GHz之間
，S11均在-12dB和-20dB之間。從圖2上可以看出，這個耦合器的性能並不好。首先是S11 在900MHz時僅為-15.39dB
，定向耦合器是一個直通的設備，一般來說S11必須要在-30dB以下才合適
，否則插入損耗有些過大，對係統有一些損害。另外定向性過低
，在900MHz時，隔離度為-25.589dB
，耦合度為-19.116dB
，定向性隻有6dB左右，而且在整個頻段，定向性都不超過8dB。這個結果顯然比較符合上文計算的結果
，S11=-15.39dB接近上文中的-14.42dB，而S31=-19.116dB和最大耦合功率的理論值-19.48dB也比較接近。

這樣的性能顯然是不滿足要求的。因為tag標簽散射的信號和reader發射的信號功率差距在40～50 dB以上。而該耦合器的定向性隻有8dB，很難分離tag信號和reader信號。這在tag信號輸出端主要表現為，reader信號幅度比tag信號大得太多。尤其在放大器的輸出端

，tag疊加在reader的連續波信號上部，很可能在tagxinhaohaimeiyoufangdadaozugoukeyijianceshi，fangdaqijiuyijingbaohe，zheyangshihenyouhaide。xiamianjiangtiaozhengdingxiangouheqidegaozukangxianchicun
，shideouheqidadaobijiaohaodezhibiao。

2 耦合器的改進方法及效果

在這一節中，主要講述一種耦合器改進方案，即是添加高阻抗線法。如圖1，高阻抗線的終端接地，屬於短路線，絕大多數的能量會反射回來。在理論上，利用這些反射的能量抵消耦合器在隔離端(port4)的能量以提高其隔離度。4端口泄露的能量除了耦合器本身的隔離度不佳以外
，在實際應用中，還包含有從2端口反射回來的信號在4端口上的耦合，這個反射信號主要是天線的失配造成。在這裏僅認為2端口是理想的匹配負載。在理想耦合器中，隔離端泄露的信號比耦合端的信號延遲90°，而抵消信號和隔離端信號應該正好相差180°。由於是抵消信號主要由高阻抗線終端反射
，因此在圖1中，4 點到7點的電長度應該為90°左右。這樣，反射信號傳輸至4點就會出現反向
，然後再傳輸至6點
，和隔離端的信號也正好是反向的。調節高阻抗線的寬度，可以控製反射信號的功率；調節其長度
，可以控製反射信號的相位。經過調節
，高阻抗線的長度為53.7mm，寬度為0.4mm，這個長度加上連接3端口的5mm 短微帶線，電長度接近90°(91.2°)。仿真的S11，S31和S41結果如圖3所示。

從圖3中明顯可以看出
，S11隻有很小的變化

，這是因為耦合到3
，4端口之間耦合線的能量比較小，對輸入反射係數影響比較小，而在改進型中，並沒有改變除了高阻抗線以外的參數。S31和S41均有變化
，尤其是s41變化很明顯
，從-25dB變到-51dB，而S31也有變化，從-19dB變化到-21dB。S31的變化主要是因為增加了高阻抗線，3端口的匹配狀況發生改變，反射增加了，因此3端口的能量有小幅度下降。 S41下降非常明顯
，到了近乎-51dB，致使定向性超過30dB
，這是因為高阻抗線的反射抵消。這個定向性已經非常高
，超過了市場上絕大多數的定向耦合器的指標，這樣的定向耦合器在RFID係統的應用中是很有用的。值得指出的是，雖然應用了這樣高性能的耦合器
，reader信號仍然比tag信號要大很多，但係統分辨力是增加了，可以識別更小功率的tag散射信號。如果兩種信號幅度相差不是特別大
，可以在放大器不飽和的條件下得到tag散射信號。

但是從圖3中也可以看出耦合器的缺點，最明顯的就是高定向性的帶寬非常窄

，20dB也隻有20MHz左(zuo)右(you)
，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)耦(ou)合(he)器(qi)本(ben)身(shen)性(xing)能(neng)比(bi)較(jiao)差(cha)。如(ru)果(guo)是(shi)一(yi)個(ge)性(xing)能(neng)本(ben)身(shen)較(jiao)好(hao)的(de)耦(ou)合(he)器(qi)，再(zai)加(jia)上(shang)高(gao)阻(zu)抗(kang)線(xian)進(jin)行(xing)調(tiao)節(jie)，可(ke)以(yi)得(de)到(dao)一(yi)個(ge)比(bi)較(jiao)滿(man)意(yi)的(de)頻(pin)率(lv)特(te)性(xing)。而(er)中(zhong)間(jian)最(zui)低(di)的(de)903MHz處能顯示出這麼高的定向性，顯然是由於在這個頻率上，隔離端的漏信號剛好和反射抵消信號是反向的。

3 結論

在RFID係統中，耦合器，環形器等多端口網絡是非常重要的部件，主要是用於分離reader和tag信號。但是市場上一般的定向耦合器最多隻能達到20dB的定向性，這樣的耦合器很有局限性。應用於RFID係統中，分離tag信號的能力比較弱
，或者說
，隻有在tag信號比較強時才能從信道中分離出。因此需要對其結構進行改進。

理論上的定向耦合器在隔離端的信號強度為0，但是在實際中，由於奇偶模相速度的不平衡
，在傳輸的過程中，奇偶模的分量往往發生改變
，隔離端的信號便不為0
，甚至很大。在文中提出的那款模型，隔離端泄露的信號強度就非常大，僅僅比耦合端小6dB左右。為了提高定向性

，提出了添加高阻抗線法
，這種方法是利用高阻抗線終端的反射信號來抵消隔離端的泄露信號。

高阻抗線的一個重要結論是，其終端到耦合端的電長度大約為90°。根據微帶耦合器理論
，要達到最佳的耦合效果
，耦合端和隔離端的長度大約為90°，信號相位也相差90°。反射信號要與隔離端信號相差180°，在高阻抗線終端反射回耦合端的信號與耦合端原信號必須反向
，這樣才能在傳輸90°yihouhegeliduandexinhaozhenghaofanxiang。lingwaitongguogaibiangaozukangxiandexiankuan
，keyitiaojiefanshexinhaodeqiangruo。zunxunzheyiyuanze，tongguoduigaozukangxiandetiaojie
，shideouheqizai 903MHz時，達到-50dB的隔離度
，並使定向性達到30dB以上。