超高頻RFID(UHF Radio Frequency Identification)是指工作頻率在300MHz～3GHz頻段內(nèi)的一種非接觸無線識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和雷達(dá)反射的傳輸特性,，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別,。由于其具有工作頻率高、可讀寫距離長,、標(biāo)簽尺寸小等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注,，加之我國在900MHz頻段的RFID標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)確立[1],目前超高頻RFID已成為研究探討的重點(diǎn)方向之一。然而,，由于受RFID閱讀器設(shè)計(jì)水平的局限和干擾源的廣泛存在,，目前制約UHF RFID應(yīng)用的問題較多,，其中一個(gè)重要的問題是由于射頻收發(fā)鏈路隔離效果不好，導(dǎo)致載波泄漏嚴(yán)重而影響閱讀器的接收性能,，進(jìn)而引起相對(duì)較高的誤碼率,。

　　本文針對(duì)超高頻RFID系統(tǒng)討論了閱讀器射頻收發(fā)鏈路之間隔離的重要性，并基于傳統(tǒng)的微帶線定向耦合器,，利用端口阻抗的失配效應(yīng),，改進(jìn)設(shè)計(jì)出一種簡易、高隔離度的定向耦合器,，可適用于閱讀器射頻鏈路的收發(fā)隔離,。測試結(jié)果表明，改進(jìn)后定向耦合器的隔離度大大提高,，較好地解決了泄漏載波的干擾問題,，有較強(qiáng)的可行性和實(shí)用性。

　　1 閱讀器射頻鏈路收發(fā)隔離的必要性

　　超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由標(biāo)簽和閱讀器兩部分組成,，標(biāo)簽大多是無源的,，本身沒有能量，需要從閱讀器發(fā)出的射頻能量中提取其工作所需的電源;閱讀器實(shí)際上是一個(gè)無線收發(fā)器,，它有兩個(gè)分隔開的信號(hào)鏈路,，分別用于發(fā)送和接收往返標(biāo)簽兩個(gè)方向的信號(hào),，如圖1所示,。閱讀器與其他收發(fā)器最大的區(qū)別在于：它在接收標(biāo)簽返回信號(hào)的同時(shí)，還必須向標(biāo)簽發(fā)射連續(xù)載波信號(hào)為其提供工作能量,。

　　當(dāng)射頻信號(hào)鏈路的隔離性能不夠好時(shí),，載波信號(hào)很容易從發(fā)射鏈路泄漏到接收鏈路，形成對(duì)有用信號(hào)的干擾,。顯然,，影響干擾信號(hào)強(qiáng)度的主要因素是載波的發(fā)射功率，而這個(gè)發(fā)射功率不能過小,，應(yīng)當(dāng)保證標(biāo)簽正常工作所需的能量(即激活能量),。由于射頻信號(hào)是通過電磁波來傳遞能量的,因此，標(biāo)簽天線捕獲的能量與空間環(huán)境的反射,、傳媒介質(zhì)的吸收等因素有關(guān), 在理想自由空間和連續(xù)載波的情況下,有下面的近似公式[2]:

　　式中,，PTag為標(biāo)簽天線接收到的能量，PTx為閱讀器的發(fā)射功率,，GRx,、GTx分別為標(biāo)簽接收天線和閱讀器發(fā)射天線的增益, R為閱讀器和標(biāo)簽之間的工作距離。典型的低功耗電子標(biāo)簽工作電壓為1.2V左右,，標(biāo)簽被激活所需的功率為50μW(-13dBm)甚至可為5μW(-23dBm)[3],。假定閱讀器天線增益為6dBi,標(biāo)簽接收天線增益為2dBi[4], 工作距離為5m,，根據(jù)式(2)計(jì)算可知，激活標(biāo)簽的最小發(fā)射功率為24.6dBm,，考慮到發(fā)送端饋線以及其他損耗L(取2.5dB),，為了讀取相距5m的標(biāo)簽,射頻信號(hào)的發(fā)射功率必須大于27dBm。

　　當(dāng)標(biāo)簽被激活后,，發(fā)射的射頻信號(hào)在標(biāo)簽上受到散射,，其中一小部分散射返回的能量被閱讀器的天線捕獲(只有約為-67dBm)[5]。由于無源標(biāo)簽自身不帶電源,，由外部供電,，在系統(tǒng)處于接收狀態(tài)時(shí),，閱讀器還需要發(fā)射連續(xù)同頻載波給標(biāo)簽提供直流能量，從式(2)的結(jié)果可知，激活工作距離為5m的標(biāo)簽的最小射頻能量是27dBm,，而市場上用于RFID定向耦合器或環(huán)行器的隔離度典型值在22dB左右，可見,，至少有5dBm的載波信號(hào)直接泄漏到接收鏈路中,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天線接收到的有用信號(hào)。這樣,，有用信號(hào)將會(huì)被干擾信號(hào)淹沒,，導(dǎo)致接收機(jī)無法從所收到的各種信號(hào)中甄別出標(biāo)簽反射的微弱信號(hào)，使靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍大大降低,，而且這兩個(gè)信號(hào)是處于同一頻段的,，接收機(jī)的天線濾波器是無法濾除頻率靠得這么近的干擾大信號(hào)，很可能出現(xiàn)接收信號(hào)被堵塞的情況[6],，嚴(yán)重影響閱讀器的接收性能,。

　　2 一種高隔離度定向耦合器的設(shè)計(jì)

　　為了盡可能減少同頻泄漏載波信號(hào)的干擾，電路中通常采用定向耦合器或者環(huán)行器進(jìn)行收發(fā)隔離,。相對(duì)環(huán)行器而言,，定向耦合器制作簡單、成本低,、容易實(shí)現(xiàn),，從而更受青睞。定向耦合器之所以可以用于閱讀器收發(fā)隔離是因?yàn)樗哂卸ㄏ騻鬏數(shù)奶匦?。然而由微帶線構(gòu)成的非均勻介質(zhì)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,，從而導(dǎo)致其隔離特性也不好,，而且耦合愈緊，相速相差愈大,，方向性也就愈差[7],，所以這種傳統(tǒng)的微帶線定向耦合器很難達(dá)到完全隔離的效果,。

　　本文基于傳統(tǒng)微帶線定向耦合器的方向性和耦合性，通過一種改進(jìn)型的結(jié)構(gòu),，使得定向耦合器的隔離性能大大提高,。其設(shè)計(jì)思想是：在定向耦合器的隔離端口添加一個(gè)與泄漏信號(hào)等幅反相的補(bǔ)償信號(hào)，從而使之與泄漏的載波信號(hào)因疊加而抵消或減弱[8-9],。改進(jìn)型耦合器的原理示意圖如圖2所示,其中1-2與3-4是兩根微帶傳輸線,，1、2,、3,、4的端口阻抗是理想匹配到50Ω，即激勵(lì)信號(hào)從端口通過時(shí)不會(huì)有信號(hào)反射回來,。當(dāng)射頻信號(hào)由端口1(發(fā)射端口)輸入時(shí),，大部分經(jīng)主傳輸線從端口2(天線端口)輸出，插入損耗小于1dB,，再由與端口2相連的天線輻射出去;另一部分經(jīng)電磁耦合從端口4輸出,，而端口1與端口3理論上是相互隔離的[10]。由于傳統(tǒng)微帶線定向耦合器的隔離度很差,，一般情況下,，隔離度只能做到10～20dB，會(huì)有一些信號(hào)從主傳輸線上泄漏到端口3(接收端口),，從而構(gòu)成對(duì)接收信號(hào)的干擾,。為了增強(qiáng)耦合器的隔離特性,利用端口4(失配端口)阻抗不匹配引起信號(hào)反射的特性來實(shí)現(xiàn)在端口3添加等幅反相的補(bǔ)償信號(hào)。通過調(diào)節(jié)端口4的阻抗,使耦合到該端口的信號(hào)朝與之反向的端口3傳輸,。如果端口4阻抗調(diào)整適當(dāng),則使得反向傳輸?shù)蕉丝?的信號(hào)與從端口1泄漏到端口3的信號(hào)是等幅且反相的,。最后由于這兩個(gè)反相信號(hào)疊加能夠減弱射頻信號(hào)在端口3的泄漏,從而達(dá)到增大隔離和減少干擾的目的。利用Agilent ADS 2005A仿真軟件對(duì)端口4的阻抗和微帶尺寸進(jìn)行優(yōu)化,很容易找到該端口阻抗的理想值,。本設(shè)計(jì)是根據(jù)閱讀器工作的超高頻頻段(這里是902MHz～928MHz)，基于傳統(tǒng)的微帶線定向耦合器(其耦合度為12dB)改進(jìn)設(shè)計(jì)的,經(jīng)過ADS優(yōu)化后得到改進(jìn)型定向耦合器仿真電路圖如圖3所示,。

　　

　　圖4是根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想制作的定向耦合器PCB實(shí)物圖,，PCB板材采用常見的FR-4,相對(duì)介電常數(shù)取4.3,介質(zhì)厚度為1.2mm,失配的端口通過開路的分支微帶線來完成,也可以通過短路分支線或者集總元件等來實(shí)現(xiàn)。

　　其中具體的物理尺寸:定向耦合器耦合線之間的間距S=0.43mm,耦合區(qū)長度L1=46.88mm,微帶線橫截面的寬度W=2.1mm,失配的端口是通過開路分支線和并聯(lián)的50Ω終端組成,開路分支線的長度L3=18.7mm,距離50Ω終端的長度L4=6.5mm,與耦合器的端口1之間的距離L2=36.4mm,。為了減小端口連接帶來的誤差,在每個(gè)端口都加入LS=10mm的微帶線,。

　　3 仿真和測試結(jié)果

　　利用ADS軟件對(duì)改進(jìn)前后微帶線定向耦合器的性能進(jìn)行對(duì)比仿真，仿真結(jié)果如圖5所示,。

 

　　仿真結(jié)果表明,，改進(jìn)前后微帶線定向耦合器的耦合度幾乎沒有變化，約為12.6dB左右,。然而,，兩者的隔離度卻有顯著差別：改進(jìn)前微帶線定向耦合器在915MHz處只有22.852dB的隔離度,其方向性僅為10dB左右;而改進(jìn)后的隔離度在902MHz～928MHz范圍內(nèi)均高達(dá)46dB, 在915MHz取得最大值為85.245dB,方向性約為72dB,。可見,，改進(jìn)后的定向耦合器隔離度大大提高,，使泄漏到接收鏈路的載波信號(hào)減小約62dB，大大提高了接收鏈路的靈敏度,，改善了閱讀器的接收性能,。

　　通過網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀Agilent 8719ES測得改進(jìn)前后定向耦合器的隔離度如圖6所示。

　　測試結(jié)果和仿真結(jié)果相吻合,，改進(jìn)前微帶線耦合器的隔離度在915MHz處僅為23.261dB,，如圖6(a)所示);而改進(jìn)后隔離度可達(dá)58.875dB,在902MHz～928MHz范圍內(nèi)均大于45.9dB，如圖6(b)所示,。測試數(shù)據(jù)有些偏差是PCB板的加工精度造成的,，但是與傳統(tǒng)的微帶線定向耦合器相比，其隔離特性還是得到了很大的提高,。盡管定向耦合器耦合的插入損耗會(huì)使接收到的有用信號(hào)有所減弱,，但可通過接收鏈路中的前級(jí)低噪聲放大器來彌補(bǔ)它的插入損耗。

　　在超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)中,，載波信號(hào)的泄漏會(huì)嚴(yán)重影響閱讀器的工作性能,。本文針對(duì)這一問題，利用端口阻抗的失配效應(yīng),，在傳統(tǒng)微帶線定向耦合器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種隔離度高,、方向性好的結(jié)構(gòu)。這種改進(jìn)型結(jié)構(gòu)使得定向耦合器的隔離特性得到很大的提高,，在中心頻率為915MHz處隔離度可達(dá)58.875dB,在902MHz～928MHz范圍內(nèi)也均大于45.9dB,，能有效抑制載波信號(hào)泄漏到接收鏈路中，從而很好地解決了載波泄漏的問題,，具有較好的實(shí)用性,，適用于RFID閱讀器射頻鏈路的收發(fā)隔離電路中。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 殷少飛,熊立志. UHF頻段無源RFID標(biāo)簽閱讀距離影響因素分析[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2008,264 (1).

　　[2] 袁煒, 張春, 王志華.超高頻無源射頻標(biāo)簽的射頻接口設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué),2006,36(6).

　　[3] FINKENZELLER K. 射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)[M].陳大才編譯.北京:電子工業(yè)出版社, 2001:217-224.

　　[4] 王平,胡愛群, 趙洪新.反射調(diào)制通用超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)測試平臺(tái)[J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào),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] 陳邦媛.射頻通信電路[M]. 北京:科學(xué)出版社,2002:135-156.

　　[7] 樊品,徐晨陽.微帶定向耦合器的設(shè)計(jì)[J].電子工程,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.同步分支線定向耦合器的分解設(shè)計(jì)方法[J].鐵道師范學(xué)報(bào),1997,14(4).