智能定向耦合器的設計

【摘要】 對于無線信號同頻同時收發的單天線系統，一個重要的問題是要解決自身發送的前向信號對接收的反向信號的干擾。本文實現了一種高隔離性的智能定向耦合器，并在超高頻無源 RFID 系統上進行了測試，測試結果表明：采用了智能定向耦合器技術后，系統的前反向隔離度由28dB提高到55dB，提高了27dB，減少了系統前反向干擾，提高了接收靈敏度和系統通訊距離。

【關鍵詞】 RFID 定向耦合器 反向干擾

一、引言

對于無線信號同頻同時收發的單天線系統如雷達，無源RFID 等，一個重要的問題是要解決自身發送的前向信號對接收的反向信號的干擾。前向信號泄漏到反向會從三個方面干擾接收，引起系統性能下降。一是導致射頻鏈路阻塞，使射頻鏈路的增益不能很高。二是導致基帶信號直流偏移，在傳送碼流直流平衡的編碼時可以通過電容耦合方式消除。三是前向信號所帶的相位噪聲和幅度噪聲對接收鏈路的干擾。因此提高前反向信號的隔離度是單天線同頻同時系統要解決的關鍵問題。

通常的前反向信號隔離的方法是采用定向耦合器和/或環形器，雙工器的前反向信號頻率是不同的，所以在這里不適用。由于定向耦合器和環形器自身的隔離度只能作到30dB左右，而且其端口阻抗的阻抗在批次和環境影響下會發生變化，導致隔離度下降，因此實際工作時系統的隔離度會降到20dB，或者更低。更復雜的情況是，由于實際應用時電磁場環境快速變化，通過更改電容電感調整電路阻抗改善隔離度的方法適應性差，不能可靠的提高隔離度。

對于這一問題的解決思路通常是，通過生成一個與原前向泄漏的干擾信號強度相同，相位相反的對消信號，通過合路器將兩個信號疊加，抵消掉前向干擾信號，因此也稱為泄漏對消。本文基于這一思路，提出了一種結構新穎的定向耦合器自適應對消方法，能實時對消前向載波泄漏信號，使前向反信號的隔離度大幅增加，由原先的20～30dB增加到50～60dB以上。

二、智能定向耦合器工作原理

通常的四端口定向耦合器分為輸入端口、直通端口、耦合端口、隔離端口。系統發送信號時，功放輸出的射頻信號從輸入端口輸入，直通端口輸出到天線，部分能量輸出到耦合端口，極少的能量輸出到隔離端口。而接收信號時，由于定向耦合器的端口互易性，反向信號從輸出端口輸入，部分耦合到隔離端口，通過隔離端口輸出到接收器，從而實現前反向信號的隔離，如圖1所示。

本文表述的智能定向耦合器，通過在耦合端口傳輸路徑上增加四個節點，用來反射前向信號。利用傳輸線的傳輸延時對信號移相，使相鄰節點的相位差為1/8波長（45度）。前向功放輸出的信號，部分從耦合端口輸出，到達各節點，當節點阻抗不為50歐時，由于阻抗不連續時，部分信號會從節點反射回耦合端口，可以看出相鄰節點的反射回定向耦合器耦合口的信號，其相位差為90度，如圖2所示。

各反射節點上通過PIN二極管實現的可變電阻來改變節點阻抗，節點阻抗變化引起反射信號的幅度變化。四個反射結點反射信號分別為：Γ1×cos（ψt-270）、Γ2×cos（ψt-180）、Γ3×cos（ψt-90）、Γ4×cos（ψt）。其中Γ=（ZL-Z0）/（ZL+Z0），Z0=50Ω，ZL=Z0//ZPIN，ZPIN為PIN管阻抗。則在定向耦合器耦合口反射信號為：

A2×cos（ψt+θ2）≈（Γ4-Γ2）×cos（ψt）+（Γ3-Γ1）×sin（ψt） （1）

三、反向信號控制實現

反射信號控制模塊采用FPGA實現，模塊結構功能如圖3所示。

正交解調器解調出I、Q兩路信號，經過表示反向泄漏信號的強度r1和相位θ1（θ1為輸入射頻信號與本振信號的相位差）。

I=r1×cos（θ1） （2）

Q=r1×sin（θ1） （3）

I、Q信號經過AD轉換為數字信號輸入到FPGA芯片后，首先輸入進行濾波處理，過濾掉高頻噪聲信號。然后輸入到相位旋轉單元， 通過改變信號的旋轉角度和增益，來調整IQ信號的相位和幅度，相位旋轉的公式如下：

I'=Acos（θ）×I+Asin（θ） ×Q （4）

Q'=-Asin（θ）×I+Acos（θ） ×Q （5）

I'、Q'所表示的幅度r'=r1×A和相位θ'=θ1-θ；

再進行積分處理，同相積分器輸出結果為：

I+=A×r1×∫cos（θ1-θ） （6）

Q+=A×r1×∫sin（θ1-θ） （7）

反向積分器輸出結果為：

I-=（-1）×A×r1×∫cos（θ1-θ） （8）

Q-=（-1）×A×r1×∫sin（θ1-θ） （9）

判斷模塊實時檢測I、Q信號的幅度，當I2+Q2小于閾值時，表明耦合器的前反向隔離度已經達到要求，此時積分器停止輸出控制信號保持不變。

四、仿真和實際測試

不啟動反向信號控制時，采用定向耦合器的前反向信號在目的頻點處的隔離度約為-28dB，啟動反向控制后優化到-55dB如圖4所示，顯著提高了前反向鏈路的隔離度。

同時模擬了環境變化引起的泄漏信號的不同的初始相位和幅度，系統都迅速對消，如圖5所示。

五、結束語

本文實現了一種高隔離性的智能定向耦合器，并在超高頻無源 RFID 系統上進行了測試，測試結果表明：采用了智能定向耦合器技術后，系統的前反向隔離度由28dB提高到55dB，提高了27dB，減少了系統前反向干擾，提高了接收靈敏度和系統通訊距離。

參 考 文 獻

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