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RFID系统中耦合器定向性可以怎样来提高
作者:AG8    发布日期:2020-02-12 14:53


  系统在全球的应用已经越来越广泛,被誉为21世纪将会快速发展的新型技术。ID系统可以应用于多个频段,不同频段有着不同的特点,UHF频段的RFID系统读取速度较快,识别距离较远,近年来得到了很快的发展。本文将重点讨论在UHF频段中,RFID系统中微带定向

  在很多RFID系统中,有一些微波多端口器件,放置于reader天线和信号处理模块中间,用以分离输出的reader信号和tag散射的信号,比如环形器,定向耦合器等等。环形器体积较大,又需要铁氧体材料,制作成本较高,而微带型的定向耦合器通常体积比较小,又很容易加工,因此在这些系统中得到了广泛的应用。微带耦合器一般是用一段长度为1/4波长的微带耦合线构成,在平行的两段导带两端分别加上两个端口,构成定向耦合器的四端口网络。

  但是,因为微带线传输的模式不是严格的TEM波,有少量的纵向场分量,造成了奇偶模式传输相速度不平衡,直接导致了微带耦合器的定向性降低。如公式(1)所示:

  在这个公式中,i=e,o。从上式可以看出,奇偶模相速度是不一样的,这不但会影响到微带耦合器的耦合性能和定向性能,还会使得频带变窄。在这一点上,带状线比微带线要好一些,因为带状耦合线周围填充介质是均匀的,奇偶模相速度一致,传输TEM波,本身就比微带线要有优势,但加工要麻烦一些,粘合中还会引入别的误差。

  正因为上述的原因,现在市场上的定向耦合器的隔离度仅仅只有-30dB左右,定向性通常不会超过20dB。本文所介绍的一种新型的改进方案,即是在耦合端添加高阻抗线,使得耦合端不匹配,有一定量的反射。这种反射能量经过微带线传输至隔离端,从而抵消部分隔离端的泄露能量,使得定向性大大提高。在接下来的实验中,可以看到,在指定频点,隔离度可以达到-50dB以下,定向性可以达到-30dB。

  微带定向耦合器在ADS中的模型如图1所示。是一个四端口器件,中间是一段耦合线。四个端口分别连接于外部的50Ω端口。从5点到7点是高阻抗线端点接地,这个长度是一个变量。连接每个端口(3端口除外)的微带线端口连接的微带线mm。耦合线mm。本文主要讨论高阻抗线的作用,所以先将高阻抗线长度置于零。PCB板采用PTFE材料,介电常数是2.5,厚度是0.5cm。

  tion工具,可以得到各个条线的特性阻抗和电长度。连接1,2,4端口的微带线端口的微带线°。耦合线dB,电长度92.4°。理论上说,如果耦合线°,耦合的能量最大,耦合端电压最大,这从公式(2)可以看到。在ADS中,对这样一款定向耦合器的仿线所示。

  式中:C为耦合度;V3为耦合端输出电压;V0为耦合器输入端电压。显然,当长度为90°时,tanθ=0,V3=CV0,耦合端信号最大。而该耦合器的长度为92.4°,基本上符合耦合器的基本理论,这个耦合度的数值应该和S31的数值接近。从后面的分析中可以看到,这个数值和矩量法计算的结果是基本一致的。另一个重要的参数是S41这个参数在理想耦合器理论中为0,但实际中显然不为0,因为奇偶模的不平衡性,其性能有可能变差,甚至很差。另外用传输线等效理论分析办法,分析输入S11参数,但这种办法也只能是粗略的分析,这是由于微带线传输的奇偶模相速度不平衡,奇偶模分量也很难计算。不过因为耦合度比较低,可以假设1端口到2端口的耦合线为一根独立的无耗传输线)可以计算的结果是,Zin1=44.25-j10.24 Ω,Zin2=30.7+j7.71 Ω,Zin3=37.12+j10.65 Ω。这里的1,2,3指的是图上标的点。用公式(4)可以计算得到Γ=0.13+j0.138,S11=-14.4dB,从这个数据上看来阻抗匹配不是很好。现在的理论分析结果用以和后面的矩量法计算结果进行比较。

  图2(a)是S31和S41的图,在900MHz时S31为-19.116dB,S41为-25.589dB。图2(b)是S11的图,在800MHz~1GHz之间,S11均在-12dB和-20dB之间。从图2上可以看出,这个耦合器的性能并不好。首先是S11在900MHz时仅为-15.39dB,定向耦合器是一个直通的设备,一般来说S11必须要在-30dB以下才合适,否则插入损耗有些过大,对系统有一些损害。另外定向性过低,在900MHz时,隔离度为-25.589dB,耦合度为-19.116dB,定向性只有6dB左右,而且在整个频段,定向性都不超过8dB。这个结果显然比较符合上文计算的结果,S11=-15.39dB接近上文中的-14.42dB,而S31=-19.116dB和最大耦合功率的理论值-19.48dB也比较接近。

  放大器的输出端,tag叠加在reader的连续波信号上部,很可能在tag信号还没有放大到足够可以检测时,放大器就已经饱和,这样是很有害的。下面将调整定向耦合器的高阻抗线尺寸,使得耦合器达到比较好的指标。

  短路线,绝大多数的能量会反射回来。在理论上,利用这些反射的能量抵消耦合器在隔离端(port4)的能量以提高其隔离度。4端口泄露的能量除了耦合器本身的隔离度不佳以外,在实际应用中,还包含有从2端口反射回来的信号在4端口上的耦合,这个反射信号主要是天线的失配造成。在这里仅认为2端口是理想的匹配负载。在理想耦合器中,隔离端泄露的信号比耦合端的信号延迟90°,而抵消信号和隔离端信号应该正好相差180°。由于是抵消信号主要由高阻抗线°左右。这样,反射信号传输至4点就会出现反向,然后再传输至6点,和隔离端的信号也正好是反向的。调节高阻抗线的宽度,可以控制反射信号的功率;调节其长度,可以控制反射信号的相位。经过调节,高阻抗线mm,这个长度加上连接3端口的5mm短微带线°)。仿线只有很小的变化,这是因为耦合到3,4端口之间耦合线的能量比较小,对输入反射系数影响比较小,而在改进型中,并没有改变除了高阻抗线dB变到-51dB,而S31也有变化,从-19dB变化到-21dB。S31的变化主要是因为增加了高阻抗线端口的匹配状况发生改变,反射增加了,因此3端口的能量有小幅度下降。S41下降非常明显,到了近乎-51dB,致使定向性超过30dB,这是因为高阻抗线的反射抵消。这个定向性已经非常高,超过了市场上绝大多数的定向耦合器的指标,这样的定向耦合器在RFID系统的应用中是很有用的。值得指出的是,虽然应用了这样高性能的耦合器,reader信号仍然比tag信号要大很多,但系统分辨力是增加了,可以识别更小功率的tag散射信号。如果两种信号幅度相差不是特别大,可以在放大器不饱和的条件下得到tag散射信号。

  但是从图3中也可以看出耦合器的缺点,最明显的就是高定向性的带宽非常窄,20dB也只有20MHz左右,这是因为耦合器本身性能比较差。如果是一个性能本身较好的耦合器,再加上高阻抗线进行调节,可以得到一个比较满意的频率特性。而中间最低的903MHz处能显示出这么高的定向性,显然是由于在这个频率上,隔离端的漏信号刚好和反射抵消信号是反向的。

  在RFID系统中,耦合器,环形器等多端口网络是非常重要的部件,主要是用于分离reader和tag信号。但是市场上一般的定向耦合器最多只能达到20dB的定向性,这样的耦合器很有局限性。应用于RFID系统中,分离tag信号的能力比较弱,或者说,只有在tag信号比较强时才能从信道中分离出。因此需要对其结构进行改进。

  理论上的定向耦合器在隔离端的信号强度为0,但是在实际中,由于奇偶模相速度的不平衡,在传输的过程中,奇偶模的分量往往发生改变,隔离端的信号便不为0,甚至很大。在文中提出的那款模型,隔离端泄露的信号强度就非常大,仅仅比耦合端小6dB左右。为了提高定向性,提出了添加高阻抗线法,这种方法是利用高阻抗线终端的反射信号来抵消隔离端的泄露信号。

  高阻抗线的一个重要结论是,其终端到耦合端的电长度大约为90°。根据微带耦合器理论,要达到最佳的耦合效果,耦合端和隔离端的长度大约为90°,信号相位也相差90°。反射信号要与隔离端信号相差180°,在高阻抗线终端反射回耦合端的信号与耦合端原信号必须反向,这样才能在传输90°以后和隔离端的信号正好反向。另外通过改变高阻抗线的线宽,可以调节反射信号的强弱。遵循这一原则,通过对高阻抗线dB的隔离度,并使定向性达到30dB以上。

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