2 一种高隔离度定向耦合器的设计
为了尽可能减少同频泄漏载波信号的干扰，电路中通常采用定向耦合器或者环行器进行收发隔离。相对环行器而言，定向耦合器制作简单、成本低、容易实现，从而更受青睐。定向耦合器之所以可以用于阅读器收发隔离是因为它具有定向传输的特性。然而由微带线构成的非均匀介质填充的定向耦合器，其奇、偶模的相速不同使得定向耦合器的方向性很低，从而导致其隔离特性也不好，而且耦合愈紧，相速相差愈大，方向性也就愈差[7]，所以这种传统的微带线定向耦合器很难达到完全隔离的效果。
本文基于传统微带线定向耦合器的方向性和耦合性，通过一种改进型的结构，使得定向耦合器的隔离性能大大提高。其设计思想是：在定向耦合器的隔离端口添加一个与泄漏信号等幅反相的补偿信号，从而使之与泄漏的载波信号因叠加而抵消或减弱[8-9]。改进型耦合器的原理示意图如图2所示,其中1-2与3-4是两根微带传输线，1、2、3、4的端口阻抗是理想匹配到50Ω，即激励信号从端口通过时不会有信号反射回来。当射频信号由端口1(发射端口)输入时，大部分经主传输线从端口2(天线端口)输出，插入损耗小于1dB，再由与端口2相连的天线辐射出去;另一部分经电磁耦合从端口4输出，而端口1与端口3理论上是相互隔离的[10]。由于传统微带线定向耦合器的隔离度很差，一般情况下，隔离度只能做到10～20dB，会有一些信号从主传输线上泄漏到端口3(接收端口)，从而构成对接收信号的干扰。为了增强耦合器的隔离特性,利用端口4(失配端口)阻抗不匹配引起信号反射的特性来实现在端口3添加等幅反相的补偿信号。通过调节端口4的阻抗,使耦合到该端口的信号朝与之反向的端口3传输。如果端口4阻抗调整适当,则使得反向传输到端口3的信号与从端口1泄漏到端口3的信号是等幅且反相的。最后由于这两个反相信号叠加能够减弱射频信号在端口3的泄漏,从而达到增大隔离和减少干扰的目的。利用Agilent ADS 2005A仿真软件对端口4的阻抗和微带尺寸进行优化,很容易找到该端口阻抗的理想值。本设计是根据阅读器工作的超高频频段(这里是902MHz～928MHz)，基于传统的微带线定向耦合器(其耦合度为12dB)改进设计的,经过ADS优化后得到改进型定向耦合器仿真电路图如图3所示。
图4是根据上述设计思想制作的定向耦合器PCB实物图，PCB板材采用常见的FR-4,相对介电常数取4.3,介质厚度为1.2mm,失配的端口通过开路的分支微带线来完成,也可以通过短路分支线或者集总元件等来实现。
其中具体的物理尺寸:定向耦合器耦合线之间的间距S=0.43mm,耦合区长度L1=46.88mm,微带线横截面的宽度W=2.1mm,失配的端口是通过开路分支线和并联的50Ω终端组成,开路分支线的长度L3=18.7mm,距离50Ω终端的长度L4=6.5mm,与耦合器的端口1之间的距离L2=36.4mm。为了减小端口连接带来的误差,在每个端口都加入LS=10mm的微带线。
