摘要：微带的定向耦合器是一些RFID系统中的关键性部件，功能一般是分离存在于信道中reader输出的信号和从天线接收的tag信号。定向耦合器的性能直接影响了系统所能辨识tag信号的能力，系统一般要求性能比较良好的定向耦合器。但是由于微带型定向耦合器其本身的奇偶模不平衡性，定向性一般不高。这里介绍一种新型的改进方法，通过调节耦合端的高阻抗线长度和宽度，使得定向性得到很大的提高。
关键词：RFID；定向耦合器；高阻抗线；定向性
引言
RFID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。RFID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系统中微带定向耦合器设计的改进方案。
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-30 dB左右，定向性通常不会超过20 dB。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。
1 耦合器模型的理论分析和仿真
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50 Ω端口。从5点到7点是高阻抗线，7端点接地，这个长度是一个变量。连接每个端口(3端口除外)的微带线宽度是2．25 mm，长度是14．4 mm，3端口连接的微带线宽度是1．4 mm，长度是5 mm。耦合线的长度是57．7 mm，导带宽度是2．1 mm，导带间距是O．45 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。
首先利用理论分析方法分析该定向耦合器。利用ADS中的line calculation工具，可以得到各个条线的特性阻抗和电长度。连接1，2，4端口的微带线特性阻抗为36．24 Ω，电长度为22．6°，连接3端口的微带线特性阻抗是50 Ω，电长度为8．2°。耦合线的特性阻抗是37．5 Ω，奇模阻抗为33．72 Ω，偶模阻抗为41．73 Ω，耦合度为-19．48 dB，电长度92．4°。理论上说，如果耦合线的长度为90°，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真结果如图2所示。
从图3中明显可以看出，S11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以外的参数。S31和S41均有变化，尤其是s41变化很明显，从-25 dB变到-51 dB，而S31也有变化，从-19 dB变化到-21 dB。S31的变化主要是因为增加了高阻抗线，3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-51 dB，致使定向性超过30 dB，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。
