一种提高RFID系统中耦合器定向性的方法

式中：C为耦合度；V3为耦合端输出电压；V0为耦合器输入端电压。显然，当长度为90°时，tanθ=0，V3=CV0，耦合端信号最大。而该耦合器的长度为92．4°，基本上符合耦合器的基本理论，这个耦合度的数值应该和S31的数值接近。从后面的分析中可以看到，这个数值和矩量法计算的结果是基本一致的。另一个重要的参数是S41这个参数在理想耦合器理论中为0，但实际中显然不为0，因为奇偶模的不平衡性，其性能有可能变差，甚至很差。另外用传输线等效理论分析办法，分析输入S11参数，但这种办法也只能是粗略的分析，这是由于微带线传输的奇偶模相速度不平衡，奇偶模分量也很难计算。不过因为耦合度比较低，可以假设1端口到2端口的耦合线为一根独立的无耗传输线来计算。 1，2端口的阻抗均是50 Ω。利用公式(3)可以计算的结果是，Zin1=44．25-j10．24 Ω，Zin2=30．7+j7．71 Ω，Zin3=37．12+j10．65 Ω。这里的1，2，3指的是图上标的点。用公式(4)可以计算得到Γ=0．13+j0．138，S11=-14．4 dB，从这个数据上看来阻抗匹配不是很好。现在的理论分析结果用以和后面的矩量法计算结果进行比较。

图2(a)是S31和S41的图，在900 MHz时S31为-19．116 dB，S41为-25．589 dB。图2(b)是S11的图，在800 MHz～1 GHz之间，S11均在-12 dB和-20 dB之间。从图2上可以看出，这个耦合器的性能并不好。首先是S11在900 MHz时仅为-15．39 dB，定向耦合器是一个直通的设备，一般来说S11必须要在-30 dB以下才合适，否则插入损耗有些过大，对系统有一些损害。另外定向性过低，在900MHz时，隔离度为-25．589dB，耦合度为-19．116dB，定向性只有6dB左右，而且在整个频段，定向性都不超过8dB。这个结果显然比较符合上文计算的结果，S11=-15．39dB接近上文中的-14．42 dB，而S31=-19．116 dB和最大耦合功率的理论值-19．48 dB也比较接近。
这样的性能显然是不满足要求的。因为tag标签散射的信号和reader发射的信号功率差距在40～50 dB以上。而该耦合器的定向性只有8 dB，很难分离tag信号和reader信号。这在tag信号输出端主要表现为，reader信号幅度比tag信号大得太多。尤其在放大器的输出端，tag叠加在reader的连续波信号上部，很可能在tag信号还没有放大到足够可以检测时，放大器就已经饱和，这样是很有害的。下面将调整定向耦合器的高阻抗线尺寸，使得耦合器达到比较好的指标。

2 耦合器的改进方法及效果
在这一节中，主要讲述一种耦合器改进方案，即是添加高阻抗线法。如图1，高阻抗线的终端接地，属于短路线，绝大多数的能量会反射回来。在理论上，利用这些反射的能量抵消耦合器在隔离端(port4)的能量以提高其隔离度。4端口泄露的能量除了耦合器本身的隔离度不佳以外，在实际应用中，还包含有从2端口反射回来的信号在4端口上的耦合，这个反射信号主要是天线的失配造成。在这里仅认为2端口是理想的匹配负载。在理想耦合器中，隔离端泄露的信号比耦合端的信号延迟90°，而抵消信号和隔离端信号应该正好相差180°。由于是抵消信号主要由高阻抗线终端反射，因此在图1中，4点到7点的电长度应该为90°左右。这样，反射信号传输至4点就会出现反向，然后再传输至6点，和隔离端的信号也正好是反向的。调节高阻抗线的宽度，可以控制反射信号的功率；调节其长度，可以控制反射信号的相位。经过调节，高阻抗线的长度为53．7 mm，宽度为0．4 mm，这个长度加上连接3端口的5 mm短微带线，电长度接近90°(91．2°)。仿真的S11，S31和S41结果如图3所示。