RFID系統(tǒng)中耦合器定向性的提高方法
RFID系統(tǒng)在全球的應用已經越來越廣泛,被譽為21世紀將會快速發(fā)展的新型技術。RFID系統(tǒng)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(tǒng)讀取速度較快,識別距離較遠,近年來得到了很快的發(fā)展。本文將重點討論在UHF頻段中,RFID系統(tǒng)中微帶定向耦合器設計的改進方案。
在很多RFID系統(tǒng)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(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(tǒng)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(yōu)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。
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36.24 Ω,電長度為22.6°,連接3端口的微帶線特性阻抗是50 Ω,電長度為8.2°。耦合線的特性阻抗是37.5 Ω,奇模阻抗為33.72 Ω,偶模阻抗為41.73 Ω,耦合度為-19.48 dB,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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