超高频RFID高隔离度定向耦合器的设计

　　超高频RFID(UHF Radio Frequency Identification)是指工作频率在300MHz～3GHz频段内的一种非接触无线识别技术，其基本原理是利用射频信号和雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。由于其具有工作频率高、可读写距离长、标签尺寸小等优点而备受关注，加之我国在900MHz频段的RFID标准已经确立[1],目前超高频RFID已成为研究探讨的重点方向之一。然而，由于受RFID阅读器设计水平的局限和干扰源的广泛存在，目前制约UHF RFID应用的问题较多，其中一个重要的问题是由于射频收发链路隔离效果不好，导致载波泄漏严重而影响阅读器的接收性能，进而引起相对较高的误码率。

　　本文针对超高频RFID系统讨论了阅读器射频收发链路之间隔离的重要性，并基于传统的微带线定向耦合器，利用端口阻抗的失配效应，改进设计出一种简易、高隔离度的定向耦合器，可适用于阅读器射频链路的收发隔离。测试结果表明，改进后定向耦合器的隔离度大大提高，较好地解决了泄漏载波的干扰问题，有较强的可行性和实用性。

　　1 阅读器射频链路收发隔离的必要性

　　超高频射频识别系统主要由标签和阅读器两部分组成，标签大多是无源的，本身没有能量，需要从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电源;阅读器实际上是一个无线收发器，它有两个分隔开的信号链路，分别用于发送和接收往返标签两个方向的信号，如图1所示。阅读器与其他收发器最大的区别在于：它在接收标签返回信号的同时，还必须向标签发射连续载波信号为其提供工作能量。

　　当射频信号链路的隔离性能不够好时，载波信号很容易从发射链路泄漏到接收链路，形成对有用信号的干扰。显然，影响干扰信号强度的主要因素是载波的发射功率，而这个发射功率不能过小，应当保证标签正常工作所需的能量(即激活能量)。由于射频信号是通过电磁波来传递能量的,因此，标签天线捕获的能量与空间环境的反射、传媒介质的吸收等因素有关, 在理想自由空间和连续载波的情况下,有下面的近似公式[2]:

　　式中，PTag为标签天线接收到的能量，PTx为阅读器的发射功率，GRx、GTx分别为标签接收天线和阅读器发射天线的增益, R为阅读器和标签之间的工作距离。典型的低功耗电子标签工作电压为1.2V左右，标签被激活所需的功率为50μW(-13dBm)甚至可为5μW(-23dBm)[3]。假定阅读器天线增益为6dBi,标签接收天线增益为2dBi[4], 工作距离为5m，根据式(2)计算可知，激活标签的最小发射功率为24.6dBm，考虑到发送端馈线以及其他损耗L(取2.5dB)，为了读取相距5m的标签,射频信号的发射功率必须大于27dBm。

　　当标签被激活后，发射的射频信号在标签上受到散射，其中一小部分散射返回的能量被阅读器的天线捕获(只有约为-67dBm)[5]。由于无源标签自身不带电源，由外部供电，在系统处于接收状态时，阅读器还需要发射连续同频载波给标签提供直流能量，从式(2)的结果可知，激活工作距离为5m的标签的最小射频能量是27dBm，而市场上用于RFID定向耦合器或环行器的隔离度典型值在22dB左右，可见，至少有5dBm的载波信号直接泄漏到接收链路中，远远大于天线接收到的有用信号。这样，有用信号将会被干扰信号淹没，导致接收机无法从所收到的各种信号中甄别出标签反射的微弱信号，使灵敏度和动态范围大大降低，而且这两个信号是处于同一频段的，接收机的天线滤波器是无法滤除频率靠得这么近的干扰大信号，很可能出现接收信号被堵塞的情况[6]，严重影响阅读器的接收性能。

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　　2 一种高隔离度定向耦合器的设计

　　为了尽可能减少同频泄漏载波信号的干扰，电路中通常采用定向耦合器或者环行器进行收发隔离。相对环行器而言，定向耦合器制作简单、成本低、容易实现，从而更受青睐。定向耦合器之所以可以用于阅读器收发隔离是因为它具有定向传输的特性。然而由微带线构成的非均匀介质填充的定向耦合器，其奇、偶模的相速不同使得定向耦合器的方向性很低，从而导致其隔离特性也不好，而且耦合愈紧，相速相差愈大，方向性也就愈差[7]，所以这种传统的微带线定向耦合器很难达到完全隔离的效果。

　　本文基于传统微带线定向耦合器的方向性和耦合性，通过一种改进型的结构，使得定向耦合器的隔离性能大大提高。其设计思想是：在定向耦合器的隔离端口添加一个与泄漏信号等幅反相的补偿信号，从而使之与泄漏的载波信号因叠加而抵消或减弱[8-9]。改进型耦合器的原理示意图如图2所示,其中1-2与3-4是两根微带传输线，1、2、3、4的端口阻抗是理想匹配到50Ω，即激励信号从端口通过时不会有信号反射回来。当射频信号由端口1(发射端口)输入时，大部分经主传输线从端口2(天线端口)输出，插入损耗小于1dB，再由与端口2相连的天线辐射出去;另一部分经电磁耦合从端口4输出，而端口1与端口3理论上是相互隔离的[10]。由于传统微带线定向耦合器的隔离度很差，一般情况下，隔离度只能做到10～20dB，会有一些信号从主传输线上泄漏到端口3(接收端口)，从而构成对接收信号的干扰。为了增强耦合器的隔离特性,利用端口4(失配端口)阻抗不匹配引起信号反射的特性来实现在端口3添加等幅反相的补偿信号。通过调节端口4的阻抗,使耦合到该端口的信号朝与之反向的端口3传输。如果端口4阻抗调整适当,则使得反向传输到端口3的信号与从端口1泄漏到端口3的信号是等幅且反相的。最后由于这两个反相信号叠加能够减弱射频信号在端口3的泄漏,从而达到增大隔离和减少干扰的目的。利用Agilent ADS 2005A仿真软件对端口4的阻抗和微带尺寸进行优化,很容易找到该端口阻抗的理想值。本设计是根据阅读器工作的超高频频段(这里是902MHz～928MHz)，基于传统的微带线定向耦合器(其耦合度为12dB)改进设计的,经过ADS优化后得到改进型定向耦合器仿真电路图如图3所示。

　　图4是根据上述设计思想制作的定向耦合器PCB实物图，PCB板材采用常见的FR-4,相对介电常数取4.3,介质厚度为1.2mm,失配的端口通过开路的分支微带线来完成,也可以通过短路分支线或者集总元件等来实现。

　　其中具体的物理尺寸:定向耦合器耦合线之间的间距S=0.43mm,耦合区长度L1=46.88mm,微带线横截面的宽度W=2.1mm,失配的端口是通过开路分支线和并联的50Ω终端组成,开路分支线的长度L3=18.7mm,距离50Ω终端的长度L4=6.5mm,与耦合器的端口1之间的距离L2=36.4mm。为了减小端口连接带来的误差,在每个端口都加入LS=10mm的微带线。

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　　3 仿真和测试结果

　　利用ADS软件对改进前后微带线定向耦合器的性能进行对比仿真，仿真结果如图5所示。

　　仿真结果表明，改进前后微带线定向耦合器的耦合度几乎没有变化，约为12.6dB左右。然而，两者的隔离度却有显著差别：改进前微带线定向耦合器在915MHz处只有22.852dB的隔离度,其方向性仅为10dB左右;而改进后的隔离度在902MHz～928MHz范围内均高达46dB, 在915MHz取得最大值为85.245dB,方向性约为72dB。可见，改进后的定向耦合器隔离度大大提高，使泄漏到接收链路的载波信号减小约62dB，大大提高了接收链路的灵敏度，改善了阅读器的接收性能。

　　通过网络矢量分析仪Agilent 8719ES测得改进前后定向耦合器的隔离度如图6所示。

　　测试结果和仿真结果相吻合，改进前微带线耦合器的隔离度在915MHz处仅为23.261dB，如图6(a)所示);而改进后隔离度可达58.875dB,在902MHz～928MHz范围内均大于45.9dB，如图6(b)所示。测试数据有些偏差是PCB板的加工精度造成的，但是与传统的微带线定向耦合器相比，其隔离特性还是得到了很大的提高。尽管定向耦合器耦合的插入损耗会使接收到的有用信号有所减弱，但可通过接收链路中的前级低噪声放大器来弥补它的插入损耗。

　　在超高频射频识别系统中，载波信号的泄漏会严重影响阅读器的工作性能。本文针对这一问题，利用端口阻抗的失配效应，在传统微带线定向耦合器的基础上设计出一种隔离度高、方向性好的结构。这种改进型结构使得定向耦合器的隔离特性得到很大的提高，在中心频率为915MHz处隔离度可达58.875dB,在902MHz～928MHz范围内也均大于45.9dB，能有效抑制载波信号泄漏到接收链路中，从而很好地解决了载波泄漏的问题，具有较好的实用性，适用于RFID阅读器射频链路的收发隔离电路中。

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　　参考文献

　　[1] 殷少飞,熊立志. UHF频段无源RFID标签阅读距离影响因素分析[J]. 现代电子技术,2008,264 (1).

　　[2] 袁炜, 张春, 王志华.超高频无源射频标签的射频接口设计[J].微电子学,2006,36(6).

　　[3] FINKENZELLER K. 射频识别(RFID)技术[M].陈大才编译.北京:电子工业出版社, 2001:217-224.

　　[4] 王平,胡爱群, 赵洪新.反射调制通用超高频射频识别系统测试平台[J].应用科学学报,2007,25(5).

　　[5] PARK K H, KANG T Y, CHOI Y H, et al. 900MHz passive RFID reader transceiver IC[C]//In Proceedings of the 36th European Microwave Conference. Manchester UK. Sept, 2006:2-9600551-6-0.

　　[6] 陈邦媛.射频通信电路[M]. 北京:科学出版社,2002:135-156.

　　[7] 樊品,徐晨阳.微带定向耦合器的设计[J].电子工程,2003(2).

　　[8] LIU Yu, ZHANG Qi Shan, ZHENG Ming. Signal analysis and design criteria for UHF RFID Reader[C]. IEEE 2006 International Conference on ITS Telecommunications Proceedings. 2006:0-7803-9586-7.

　　[9] LEE Jei Young, CHOI Jae Hong, LEE K H, et al. A UHF mobile RFID reader IC with self-leakage canceller[C]// IEEE 2007 Radio Frequency Integrated Circuits Symposium. 2007.

　　[10] 唐萌圣.同步分支线定向耦合器的分解设计方法[J].铁道师范学报,1997,14(4).