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。