智能定向耦合器的设计

【摘要】 对于无线信号同频同时收发的单天线系统，一个重要的问题是要解决自身发送的前向信号对接收的反向信号的干扰。本文实现了一种高隔离性的智能定向耦合器，并在超高频无源 RFID 系统上进行了测试，测试结果表明：采用了智能定向耦合器技术后，系统的前反向隔离度由28dB提高到55dB，提高了27dB，减少了系统前反向干扰，提高了接收灵敏度和系统通讯距离。

【关键词】 RFID 定向耦合器 反向干扰

一、引言

对于无线信号同频同时收发的单天线系统如雷达，无源RFID 等，一个重要的问题是要解决自身发送的前向信号对接收的反向信号的干扰。前向信号泄漏到反向会从三个方面干扰接收，引起系统性能下降。一是导致射频链路阻塞，使射频链路的增益不能很高。二是导致基带信号直流偏移，在传送码流直流平衡的编码时可以通过电容耦合方式消除。三是前向信号所带的相位噪声和幅度噪声对接收链路的干扰。因此提高前反向信号的隔离度是单天线同频同时系统要解决的关键问题。

通常的前反向信号隔离的方法是采用定向耦合器和/或环形器，双工器的前反向信号频率是不同的，所以在这里不适用。由于定向耦合器和环形器自身的隔离度只能作到30dB左右，而且其端口阻抗的阻抗在批次和环境影响下会发生变化，导致隔离度下降，因此实际工作时系统的隔离度会降到20dB，或者更低。更复杂的情况是，由于实际应用时电磁场环境快速变化，通过更改电容电感调整电路阻抗改善隔离度的方法适应性差，不能可靠的提高隔离度。

对于这一问题的解决思路通常是，通过生成一个与原前向泄漏的干扰信号强度相同，相位相反的对消信号，通过合路器将两个信号叠加，抵消掉前向干扰信号，因此也称为泄漏对消。本文基于这一思路，提出了一种结构新颖的定向耦合器自适应对消方法，能实时对消前向载波泄漏信号，使前向反信号的隔离度大幅增加，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为输入端口、直通端口、耦合端口、隔离端口。系统发送信号时，功放输出的射频信号从输入端口输入，直通端口输出到天线，部分能量输出到耦合端口，极少的能量输出到隔离端口。而接收信号时，由于定向耦合器的端口互易性，反向信号从输出端口输入，部分耦合到隔离端口，通过隔离端口输出到接收器，从而实现前反向信号的隔离，如图1所示。

本文表述的智能定向耦合器，通过在耦合端口传输路径上增加四个节点，用来反射前向信号。利用传输线的传输延时对信号移相，使相邻节点的相位差为1/8波长（45度）。前向功放输出的信号，部分从耦合端口输出，到达各节点，当节点阻抗不为50欧时，由于阻抗不连续时，部分信号会从节点反射回耦合端口，可以看出相邻节点的反射回定向耦合器耦合口的信号，其相位差为90度，如图2所示。

各反射节点上通过PIN二极管实现的可变电阻来改变节点阻抗，节点阻抗变化引起反射信号的幅度变化。四个反射结点反射信号分别为：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为PIN管阻抗。则在定向耦合器耦合口反射信号为：

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

三、反向信号控制实现

反射信号控制模块采用FPGA实现，模块结构功能如图3所示。

正交解调器解调出I、Q两路信号，经过表示反向泄漏信号的强度r1和相位θ1（θ1为输入射频信号与本振信号的相位差）。

I=r1×cos（θ1） （2）

Q=r1×sin（θ1） （3）

I、Q信号经过AD转换为数字信号输入到FPGA芯片后，首先输入进行滤波处理，过滤掉高频噪声信号。然后输入到相位旋转单元， 通过改变信号的旋转角度和增益，来调整IQ信号的相位和幅度，相位旋转的公式如下：

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；

再进行积分处理，同相积分器输出结果为：

I+=A×r1×∫cos（θ1-θ） （6）

Q+=A×r1×∫sin（θ1-θ） （7）

反向积分器输出结果为：

I-=（-1）×A×r1×∫cos（θ1-θ） （8）

Q-=（-1）×A×r1×∫sin（θ1-θ） （9）

判断模块实时检测I、Q信号的幅度，当I2+Q2小于阈值时，表明耦合器的前反向隔离度已经达到要求，此时积分器停止输出控制信号保持不变。

四、仿真和实际测试

不启动反向信号控制时，采用定向耦合器的前反向信号在目的频点处的隔离度约为-28dB，启动反向控制后优化到-55dB如图4所示，显著提高了前反向链路的隔离度。

同时模拟了环境变化引起的泄漏信号的不同的初始相位和幅度，系统都迅速对消，如图5所示。

五、结束语

本文实现了一种高隔离性的智能定向耦合器，并在超高频无源 RFID 系统上进行了测试，测试结果表明：采用了智能定向耦合器技术后，系统的前反向隔离度由28dB提高到55dB，提高了27dB，减少了系统前反向干扰，提高了接收灵敏度和系统通讯距离。

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