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-30dB左右,定向性通常不會超過20dB。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36.24Ω,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。從后面的分析中可以看到,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S11參數,但這種辦法也只能是粗略的分析,這是由于微帶線傳輸的奇偶模相速度不平衡,奇偶模分量也很難計算。不過因為耦合度比較低,可以假設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。這里的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?,F在的理論分析結果用以和后面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,這個耦合器的性能并不好。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,對系統(tǒng)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,定向性只有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(fā)射的信號功率差距在40~50 dB以上。而該耦合器的定向性只有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(xù)波信號上部,很可能在tag信號還沒有放大到足夠可以檢測時,放大器就已經飽和,這樣是很有害的。下面將調整定向耦合器的高阻抗線尺寸,使得耦合器達到比較好的指標。
2 耦合器的改進方法及效果
在這一節(jié)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,屬于短路線,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。在這里僅認為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°。由于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,然后再傳輸至6點,和隔離端的信號也正好是反向的。調節(jié)高阻抗線的寬度,可以控制反射信號的功率;調節(jié)其長度,可以控制反射信號的相位。經過調節(jié),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只有很小的變化,這是因為耦合到3,4端口之間耦合線的能量比較小,對輸入反射系數影響比較小,而在改進型中,并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(fā)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系統(tǒng)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,但系統(tǒng)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也只有20MHz左右,這是因為耦合器本身性能比較差。如果是一個性能本身較好的耦合器,再加上高阻抗線進行調節(jié),可以得到一個比較滿意的頻率特性。而中間最低的903MHz處能顯示出這么高的定向性,顯然是由于在這個頻率上,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系統(tǒng)中,耦合器,環(huán)形器等多端口網絡是非常重要的部件,主要是用于分離reader和tag信號。但是市場上一般的定向耦合器最多只能達到20dB的定向性,這樣的耦合器很有局限性。應用于RFID系統(tǒng)中,分離tag信號的能力比較弱,或者說,只有在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,由于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(fā)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°以后和隔離端的信號正好反向。另外通過改變高阻抗線的線寬,可以調節(jié)反射信號的強弱。遵循這一原則,通過對高阻抗線的調節(jié),使得耦合器在 903MHz時,達到-50dB的隔離度,并使定向性達到30dB以上。