RFID干貨專欄概述

經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達(dá)到了200億的級(jí)別。在這個(gè)過程中，中國(guó)逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國(guó)，在國(guó)家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個(gè)生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國(guó)內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

為了填補(bǔ)這方面的空缺，甘泉老師花費(fèi)數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書對(duì)UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨(dú)家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號(hào)特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

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5.2.1 閱讀器工作原理

無源超高頻RFID系統(tǒng)中，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入電磁場(chǎng)時(shí)，標(biāo)簽接收到閱讀器提供的能量被激活。閱讀器將后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)來的命令進(jìn)行處理、編碼并調(diào)制，通過天線以電磁波的形式輻射出去，同時(shí)為標(biāo)簽提供所需能量。而標(biāo)簽一方面通過天線從電磁波中吸收部分能量以驅(qū)動(dòng)標(biāo)簽電路工作，另一方面對(duì)包含有效信息的電磁波進(jìn)行解調(diào)，解碼，產(chǎn)生返回信號(hào)。標(biāo)簽通過對(duì)接收到的電磁波反射率的控制（負(fù)載調(diào)制）實(shí)現(xiàn)該信號(hào)的發(fā)射。閱讀器將接收到的微小信號(hào)放大、解調(diào)，再送入數(shù)字基帶提取有用信息發(fā)送給后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器，從而完成標(biāo)簽和閱讀器的通信。

在此通信過程中，閱讀器為標(biāo)簽提供能量向四周空間發(fā)射電磁波，到達(dá)標(biāo)簽后電磁波能量的一部分被標(biāo)簽吸收驅(qū)動(dòng)標(biāo)簽電路工作，另一部分則以不同的強(qiáng)度散射到各個(gè)方向上，反射能量的一部分最終會(huì)返回閱讀器的發(fā)射天線。標(biāo)簽正是利用這部分反射的能量，與閱讀器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。這種方式被稱為反向散射技術(shù)（又叫后向散射），是以雷達(dá)原理為基礎(chǔ)的。

因此在無源超高頻RFID標(biāo)簽系統(tǒng)中為完成與閱讀器的通信，必須實(shí)現(xiàn)對(duì)反射信號(hào)的調(diào)制。反向散射是利用標(biāo)簽天線和其輸入電路之間接口處的反射系數(shù)的變化來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)榇朔瓷湎禂?shù)是復(fù)數(shù)值，故反射系數(shù)的變化實(shí)際是振幅和相位變化。而其中改變反射系數(shù)是通過改變標(biāo)簽天線的阻抗來實(shí)現(xiàn)的。通過基于一種“阻抗開關(guān)”的原理實(shí)現(xiàn)控制標(biāo)簽天線阻抗。實(shí)際中采用的幾種阻抗開關(guān)有：變?nèi)荻O管、邏輯門、高速開關(guān)等，其原理如圖5-18所示。要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)具有兩種電平信號(hào)，通過控制一個(gè)簡(jiǎn)單的晶體管開關(guān)實(shí)現(xiàn)天線阻抗的改變，從而完成對(duì)載波信號(hào)的調(diào)制。因此，在整個(gè)數(shù)據(jù)通信鏈路中，僅僅存在一個(gè)發(fā)射機(jī)，卻完成了雙向的數(shù)據(jù)通信。

圖5-18反向散射調(diào)制原理

為降低成本及減小閱讀器體積采用單天線系統(tǒng)（4天線系統(tǒng)可以增加一個(gè)1分4的模擬開關(guān)），由閱讀器工作原理以及閱讀器與標(biāo)簽之間的通信方式可以看出，無源單天線系統(tǒng)中，超高頻RFID閱讀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如5-19所示。超高頻RFID閱讀器系統(tǒng)可根據(jù)功能主要分為數(shù)字基帶和模擬射頻兩大部分。電源模塊為閱讀器提供所必須的能量以實(shí)現(xiàn)閱讀器的正常工作，通信接口模塊使得閱讀器與后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器相連，實(shí)現(xiàn)閱讀器與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)之間的通信?？刂颇K主要實(shí)現(xiàn)閱讀器數(shù)字基帶的編解碼、時(shí)序控制等功能，頻率合成器主要為各模塊提供它們各自所需的時(shí)鐘頻率。因使用單天線系統(tǒng)，為使收發(fā)分置，利用隔離器件將接收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)分離開實(shí)現(xiàn)半雙工通信。天線主要負(fù)責(zé)接收標(biāo)簽后向散射回的信號(hào)及發(fā)送閱讀命令和為標(biāo)簽提供能量的未調(diào)制載波。

圖5-19 超高頻RFID閱讀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

射頻部分主要由射頻接收模塊和射頻發(fā)送模塊組成。射頻發(fā)送部分主要由調(diào)制模塊和功率放大模塊組成，負(fù)責(zé)將數(shù)字基帶送來的信號(hào)調(diào)制成符合標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，再經(jīng)過功率放大模塊放大。射頻接收模塊主要由解調(diào)模塊和模擬處理模塊組成，負(fù)責(zé)將從天線接收到的信號(hào)變頻到模擬基帶，經(jīng)過模擬處理模塊濾波、整形、放大，送往數(shù)字基帶部分。其射頻部分主要工作流程：

天線將從標(biāo)簽返回的電磁波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，射頻接收部分將電信號(hào)通過解調(diào)模塊解調(diào)、濾波，并將微小信號(hào)進(jìn)行放大、整形后送入數(shù)字基帶進(jìn)行處理。

將數(shù)字基帶送來的基帶信號(hào)對(duì)本振信號(hào)進(jìn)行調(diào)制形成ISO/IEC 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的調(diào)制信號(hào)，再經(jīng)功率放大形成最終的信號(hào)，最后通過天線以電磁波的形式輻射到空間。

其數(shù)字基帶部分主要工作流程：

將經(jīng)過模擬預(yù)處理的信號(hào)進(jìn)行濾波、整形、解碼、校驗(yàn)，得到最終標(biāo)簽返回的有用信息，并通過通信接口送至后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器。

后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器通過通信接口發(fā)送命令給數(shù)字基帶部分，數(shù)字基帶將接收到的命令按照協(xié)議規(guī)定進(jìn)行編碼，形成基帶信號(hào)送往射頻處理部分。

5.2.2 超高頻RFID閱讀器結(jié)構(gòu)方案

由5.2.1節(jié)所述，已從功能角度分析閱讀器基本結(jié)構(gòu)。本節(jié)將從閱讀器的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行詳解。由于超高頻RFID系統(tǒng)遵循ISO/IEC18000-6C協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，符合協(xié)議所要求的調(diào)制方式、數(shù)據(jù)率以及編解碼方式，如圖5-20所示為超高頻RFID閱讀器主流的方案框圖?？驁D主要分為兩部分：射頻前端和數(shù)字基帶部分，本節(jié)重點(diǎn)介紹射頻前端部分（多數(shù)開發(fā)者采用專用芯片開發(fā)閱讀器，射頻前端是系統(tǒng)的關(guān)鍵）。

圖5-20超高頻RFID閱讀器主流設(shè)計(jì)方案框圖

本設(shè)計(jì)中，從天線經(jīng)環(huán)形器饋入接收機(jī)的標(biāo)簽返回信號(hào)不像傳統(tǒng)的射頻接收機(jī)一樣直接通過LNA和帶通濾波器。這是因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的射頻接收機(jī)中，接收信號(hào)先通過帶通濾波器，可以去除頻段外的干擾，并對(duì)接收的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。但是在超高頻RFID系統(tǒng)中，濾波器的用處并不大。因?yàn)槠渌l段的干擾信號(hào)幅度相對(duì)于無源標(biāo)簽反向散射的信號(hào)幅度較小（無源標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度一般-60dBm左右，而同頻帶的干擾信號(hào)一般-100dBm左右）；而不通過LNA，則是因?yàn)槌哳lRFID的主要噪聲來源于環(huán)形器泄露的未調(diào)制載波，很容易導(dǎo)致低噪聲放大器飽和并帶來進(jìn)一步影響。數(shù)字基帶部分由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)字信號(hào)處理模塊、協(xié)議控制器組成。其信號(hào)數(shù)字化采樣、通道計(jì)算選擇、數(shù)據(jù)相干判決，以及數(shù)據(jù)編解碼，都由一個(gè)單獨(dú)的FPGA完成（如采用專用芯片，則芯片內(nèi)部自帶數(shù)字處理模塊）。

01、超高頻RFID閱讀器射頻接收機(jī)架

現(xiàn)有的射頻前端接收機(jī)結(jié)構(gòu)中，最簡(jiǎn)單有效的設(shè)計(jì)便是在射頻頻段將信號(hào)數(shù)字化后直接送入數(shù)字基帶進(jìn)行處理，但考慮現(xiàn)有AD轉(zhuǎn)換技術(shù)限制及成本要求，接收機(jī)一般將從天線送來的射頻信號(hào)先一級(jí)或多級(jí)下變頻到能處理的頻段再進(jìn)行后續(xù)處理。根據(jù)混頻器將天線送來的射頻信號(hào)下變頻到的頻率不同，可將接收機(jī)分為超外差式接收機(jī)、零中頻接收機(jī)和低中頻接收機(jī)。

超外差接收機(jī)是利用本振將射頻信號(hào)直接下變頻到中頻，選擇性與靈敏度較好，較易實(shí)現(xiàn)有用信道的選擇、A/D轉(zhuǎn)換等，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組合干擾頻率點(diǎn)多，鏡像干擾現(xiàn)象在三種結(jié)構(gòu)中最為嚴(yán)重。零中頻結(jié)構(gòu)使本振頻率與載頻相同，將信號(hào)直接下變頻到零頻，不存在鏡像干擾，使得結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)成本低，但存在本振泄露、直流偏移等問題。低中頻結(jié)構(gòu)雖克服了直流偏移和閃爍噪聲等問題，但是它對(duì)本振相位噪聲要求較高并存在鏡像干擾。在超高頻RFID閱讀器設(shè)計(jì)中，絕大多數(shù)采用零中頻結(jié)構(gòu)，將從天線接收到的射頻信號(hào)直接通過本振下變頻到零中頻，并分為I/Q兩路信號(hào)，如圖5-21所示。

超高頻RFID閱讀器中，接收機(jī)采用零中頻設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要原因?yàn)椋洪喿x器天線接收到的信號(hào)為標(biāo)簽對(duì)閱讀器發(fā)送信號(hào)的反射，因此接收端接收信號(hào)的頻率與閱讀器本振信號(hào)頻率相同，并且信號(hào)接收端本振和發(fā)送端本振可為同一個(gè)本振，簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)與硬件開銷。但仍然存在零點(diǎn)效應(yīng)及信號(hào)自混頻引起的直流偏移問題。直流偏移將導(dǎo)致后級(jí)電路阻塞或輸入直流點(diǎn)偏移。

圖5-21零中頻接收機(jī)架構(gòu)

現(xiàn)今，在應(yīng)對(duì)產(chǎn)生的直流偏移時(shí)，常用的方法如下所示：

在混頻輸出和基帶之間加入一個(gè)截止頻率很低的高通濾波器，濾除直流偏移的影響，為了不干擾有用信號(hào)，這些高通濾波器的截止頻率通常應(yīng)不低于數(shù)據(jù)率的0.1%，在實(shí)際中應(yīng)用也通常會(huì)用一個(gè)大電容代替高通濾波器。此方案最好對(duì)基帶信號(hào)采用適當(dāng)編碼和合適的調(diào)制方式，以減少基帶信號(hào)直流附近的能量。

對(duì)于時(shí)分復(fù)用（TimeDivision Duplexing，TDD）系統(tǒng)，由于收發(fā)時(shí)分復(fù)用，在發(fā)射階段，接收機(jī)處于空閑狀態(tài)，這時(shí)就可以利用這些空閑時(shí)隙對(duì)直流偏移進(jìn)行采樣并存儲(chǔ)起來，在接收機(jī)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)時(shí)，將接收到的基帶信號(hào)和存儲(chǔ)的信號(hào)相減，就可以消除直流偏移的影響。

諧波混頻。將本振信號(hào)頻率設(shè)為接收射頻信號(hào)頻率的一半，本振信號(hào)的二次諧波與輸入射頻信號(hào)進(jìn)行混頻。因此，由本振信號(hào)泄露引起的自混頻將產(chǎn)生一個(gè)與其同頻率的交流信號(hào)，而不產(chǎn)生直流偏移。有些器件支持該功能，在混頻器內(nèi)部對(duì)本振信號(hào)進(jìn)行倍頻或分頻。

利用成熟的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來確定直流偏移的大小，并將結(jié)果反饋回模擬前端來消除直流偏移。

在這些方法中，方法③較為復(fù)雜，在超高頻RFID閱讀器中，一方面直流偏移因?yàn)楸菊裣辔辉肼暤挠绊?，不一定為直流，而是在低頻段。另外，因?yàn)橹绷髌圃肼暬緛碜杂谖凑{(diào)制載波通過隔離器件的泄露，因此其強(qiáng)度遠(yuǎn)大于有用信號(hào)幅度，必須在放大器放大之前將其消除，故無法使用方法②。考慮到接收信號(hào)帶寬有限，因此，為盡可能消除直流偏移問題，通常情況下在模擬前端采用類似①的方法，用截止頻率較低的帶通濾波器對(duì)其進(jìn)行濾波，以濾除小部分有用信息為代價(jià)換取消除直流偏移現(xiàn)象，帶通濾波器的低通截止頻率由接收信號(hào)帶寬確定。也可采用方法④，在射頻前端增加功率抵消環(huán)路，消除直流偏移影響。市場(chǎng)上的絕大多數(shù)閱讀器都是采用了方法①大電容隔離的方式減小直流偏置，其中，中高端閱讀器同時(shí)還采用方法④載波抵消的技術(shù)方案提高系統(tǒng)靈敏度。

02、發(fā)射機(jī)架構(gòu)

已知在ISO/IEC18000-6C協(xié)議中，前向鏈路和后向鏈路的調(diào)制方式、編碼方式等因素決定了閱讀器發(fā)射機(jī)的架構(gòu)。在前向鏈路中采用DSB-ASK、SSB-ASK、PR-ASK調(diào)制方式，而后向鏈路采用ASK或BPSK對(duì)回波進(jìn)行調(diào)制，因此發(fā)射機(jī)的架構(gòu)要能夠用于發(fā)送幅度和相位調(diào)制的信號(hào)，其結(jié)構(gòu)圖如圖5-22所示，由混頻器、本振、天線、功率放大器組成，利用本振和乘法器對(duì)基帶送來的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)過功率放大器后由天線將射頻信號(hào)輻射到空中。

圖5-22發(fā)射機(jī)架構(gòu)

03、收發(fā)通道隔離

無源RFID系統(tǒng)為半雙工工作方式。閱讀器一邊向外發(fā)射未調(diào)制功率載波為標(biāo)簽提供能量，另一方面還要接收標(biāo)簽后向散射回的有用信號(hào)，這種通信機(jī)制導(dǎo)致接收機(jī)前端的載波泄露。閱讀器工作時(shí)，兩信號(hào)將同時(shí)出現(xiàn)在天線上且兩信號(hào)頻率相同，閱讀器的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接收的標(biāo)簽反向散射的信號(hào)。

載波泄漏信號(hào)的產(chǎn)生有三個(gè)途徑：收發(fā)之間有限的隔離度使得發(fā)射端載波泄露到接收前端；閱讀器天線的失配造成載波信號(hào)反射到接收前端；環(huán)境對(duì)載波信號(hào)的反射再次進(jìn)入接收天線。為了減小載波泄露，需要閱讀器結(jié)構(gòu)中將閱讀器收發(fā)通道隔離，常用的隔離方式有三種，分別是采用收、發(fā)天線分離的雙天線結(jié)構(gòu)；采用環(huán)形器；采用耦合器。

（1）雙天線結(jié)構(gòu)

對(duì)于使用無源標(biāo)簽的超高頻RFID系統(tǒng)，無論是雙天線結(jié)構(gòu)還是單天線結(jié)構(gòu)的閱讀器，其接收前端都存在載波泄漏問題。對(duì)于如圖5-23所示的雙天線結(jié)構(gòu)的閱讀器，接收機(jī)天線與發(fā)射機(jī)天線之間的隔離度約為25dB到30dB，其隔離度與兩個(gè)天線位置和擺放相關(guān)，如果兩個(gè)天線靠得較近或輻射面相對(duì)則隔離度會(huì)大幅下降。

圖5-23雙天線結(jié)構(gòu)隔離

假設(shè)閱讀器功率放大器的輸出功率為30dBm，接收天線收到的標(biāo)簽反向散射的信號(hào)強(qiáng)度為-60dBm，收發(fā)天線之間的隔離度為25dB，天線的輸入反射系數(shù)S11=-15dB（雙天線結(jié)構(gòu)天線輸入反射系數(shù)和載波泄露無關(guān)）。此時(shí)產(chǎn)生的載波泄漏功率約5dBm（30 - 25dBm），通過帶通濾波器后接收機(jī)收到的信號(hào)包括5dBm的泄漏載波和-60dBm的標(biāo)簽信號(hào)。隔離效果的好壞主要由如下幾個(gè)參數(shù)判斷，接收機(jī)收到的載波信號(hào)的強(qiáng)度、標(biāo)簽信號(hào)的強(qiáng)度以及兩個(gè)信號(hào)的差值。

接收機(jī)收到的載波信號(hào)越強(qiáng)，則直流偏移影響越大，所以接收到的載波越小越好。一般帶有載波消除功能的閱讀器能夠處理的載波泄漏強(qiáng)度為+15dBm左右，如果大于該值將很難實(shí)現(xiàn)有效的載波消除，閱讀器的靈敏度會(huì)受限。

接收機(jī)收到的標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度越大，則系統(tǒng)越容易解調(diào)該信號(hào)，閱讀器的靈敏度越高。在沒有載波泄露的情況下，閱讀器的靈敏度可以達(dá)到-90dBm之下的靈敏度，在有載波泄露的環(huán)境中靈敏度會(huì)下降，中高端的閱讀器可以實(shí)現(xiàn)在10dBm載波泄漏的環(huán)境下-80dBm的靈敏度。因此標(biāo)簽反向散射的信號(hào)強(qiáng)度一般需要在-80dBm之上。

兩者信號(hào)強(qiáng)度的差值越小，信號(hào)處理越方便，可以獲得更好的解調(diào)效果。接收機(jī)收到兩個(gè)信號(hào)后，可以通過可變?cè)鲆嫣幚韺蓚€(gè)信號(hào)同時(shí)變大或變小，從而滿足載波消除和接收機(jī)小信號(hào)解調(diào)的問題。本系統(tǒng)中兩者差值為65dB，隔離效果非常不錯(cuò)。

雙天線結(jié)構(gòu)是常用三種隔離方式中效果最好的，其缺點(diǎn)是系統(tǒng)需要兩個(gè)天線，成本和實(shí)施難度都提高了，應(yīng)用時(shí)還需要注意兩個(gè)天線的隔離問題。早期閱讀器多采用雙天線結(jié)構(gòu)，不過隨著對(duì)小型化、低成本、實(shí)施簡(jiǎn)易的要求，市場(chǎng)上的主流閱讀器已經(jīng)不再采用收發(fā)雙天線結(jié)構(gòu)了，都采用收發(fā)同天線結(jié)構(gòu)。

（2）環(huán)形器

環(huán)形器是一種多端口器件（常見三個(gè)端口），采用的材料是鐵氧體，利用鐵氧體在恒定電場(chǎng)中對(duì)電磁波各方向表現(xiàn)出不同磁導(dǎo)率選擇導(dǎo)通端口實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收通道的隔離。環(huán)形器是將進(jìn)入其任一端口的入射波，按照由靜偏磁場(chǎng)確定的方向順序傳入下一個(gè)端口的多端口器件。環(huán)形器是有數(shù)個(gè)端的非可逆器件。比如：從1端口輸入信號(hào)，信號(hào)只能從2端口輸出，同樣，從2端口輸入的信號(hào)只能從3端口輸出，以此類推，故稱作環(huán)形器。如圖5-24為一個(gè)三端口的環(huán)形器，當(dāng)從端口1進(jìn)入時(shí)從端口2的插損為1dB，同時(shí)端口3的隔離為20dB。此處的插損1dB和隔離度20dB是常用器件的參數(shù)，實(shí)際中可以選擇插損更小隔離度更高的器件，這與環(huán)形器的尺寸和特性相關(guān)。

圖5-24環(huán)形器原理

由于環(huán)形器具有直通和隔離的特性，因此非常適合超高頻RFID閱讀器的收發(fā)隔離系統(tǒng)，如圖5-25所示為采用環(huán)形器作為隔離器件的單天線方案。同樣閱讀器功率放大器的輸出功率為30dBm，接收天線收到的標(biāo)簽反向散射的信號(hào)強(qiáng)度為-60dBm，天線的輸入反射系數(shù)S11=-15dB。此時(shí)發(fā)射機(jī)的30dBm輸出信號(hào)經(jīng)過環(huán)形器衰減1dB后到達(dá)天線端輻射功率為29dBm，由于天線輸入反射系數(shù)為-15dB，則天線反射信號(hào)強(qiáng)度為14dBm，該信號(hào)再次經(jīng)過環(huán)形器衰減1dB后到達(dá)接收機(jī)，此時(shí)通過天線反射的載波泄漏為13dBm。于此同時(shí)發(fā)射機(jī)的信號(hào)還可以通過環(huán)形器的隔離端口達(dá)到接收機(jī)，隔離泄漏信號(hào)強(qiáng)度為10dBm，由于天線適配引起的載波泄漏占主要的，可以大致認(rèn)為接收到的載波泄漏為13dBm（13dBm > 10dBm）。標(biāo)簽信號(hào)通過環(huán)形器衰減1dB后到達(dá)接收接，信號(hào)強(qiáng)度為-61dBm。

圖5-25采用環(huán)形器作為隔離器件的單天線方案

從隔離效果的角度看，使用環(huán)形器后，載波泄漏為13dBm,可以通過載波消除的手段抑制;有效信號(hào)的強(qiáng)度為-61dBm，是不錯(cuò)的信號(hào)強(qiáng)度;兩個(gè)信號(hào)的差值為74dB，可以說有不錯(cuò)的效果。環(huán)形器在超高頻RFID系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，尤其是高端閱讀器，基本都采用環(huán)形器作為隔離器件。其缺點(diǎn)為尺寸較大，無法使用于小型閱讀器或手持設(shè)備，再加上成本高，一般的閱讀器都不采用該方案。

（3）耦合器

在微波系統(tǒng)中，往往需將一路微波功率按比例分成幾路，這就是功率分配問題，實(shí)現(xiàn)這一功能的元件稱為功率分配元器件,即耦合器。如圖5-26所示為一個(gè)4端口的耦合器，其特點(diǎn)為：

1 →2 為直接通路（directpath），衰減很小，一般小于1dB。

1 →4 耦合通路（coupledpath），常見的耦合能量為5dB、7dB、10dB等，R2000系列的閱讀器常選擇參數(shù)為10dB的耦合器。

1 →3 隔離通路（isolatedpath），常見隔離度為30dB。

圖5-26耦合器原理

超高頻RFID閱讀器常使用定向耦合器作為隔離器件。定向耦合器是一種具有方向性的功率耦合（分配）元件。它是一種四端口元件，通常由稱為直通線（主線）和耦合線（副線）的兩段傳輸線組合而成。直通線和耦合線之間通過一定的耦合機(jī)制（例如縫隙、孔、耦合線段等）把直通線功率的一部分（或全部）耦合到耦合線中，并且要求功率在耦合線中只傳向某一輸出端口，另一端口則無功率輸出。如果直通線中波的傳播方向變?yōu)榕c原來的方向相反，則耦合線中功率的輸出端口與無功率輸出的端口也會(huì)隨之改變，也就是說，功率的耦合（分配）是有方向的，因此稱為定向耦合器（方向性耦合器）。

如圖5-27所示為使用定向耦合器作為隔離器件的閱讀器射頻前端的結(jié)構(gòu)示意圖，其中閱讀器功率放大器的輸出功率為30dBm，接收天線收到的標(biāo)簽反向散射的信號(hào)強(qiáng)度為-60dBm，天線的輸入反射系數(shù)S11=-15dB。定義該定向耦合器的輸出端到輸入端損耗為0dB；輸出端到耦合端的隔離為-30dB；輸入端到耦合端的耦合為-10dB。此時(shí)，天線端的載波信號(hào)強(qiáng)度為30dBm，天線失配反射的載波信號(hào)強(qiáng)度為15dBm（30dBm-15dB），耦合到接收機(jī)的載波信號(hào)強(qiáng)度為5dBm（15dBm-10dB），與此同時(shí)，發(fā)射機(jī)的載波也直接耦合到接收機(jī)的信號(hào)強(qiáng)度為0dBm（30dBm-30dB）。由于隔離泄漏的載波能量小于天線反射的耦合泄漏可以認(rèn)為接收機(jī)的載波泄漏信號(hào)強(qiáng)度為5dBm（5dBm>0dBm）。標(biāo)簽信號(hào)通過耦合到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)強(qiáng)度為-70dBm（-60-10）。

圖5-27采用定向耦合器作為隔離器件的單天線方案

從隔離效果的角度看，使用定向耦合器后，載波泄漏為5dBm自身泄漏并不大，還可以通過載波消除的手段進(jìn)一步抑制，有效信號(hào)的強(qiáng)度為-70dBm，可以實(shí)現(xiàn)解調(diào)，兩個(gè)信號(hào)的差值為75dB，與環(huán)形器的結(jié)果類似。定向耦合器借助其尺寸小、成本的優(yōu)勢(shì)成為超高頻RFID閱讀器系統(tǒng)中普遍使用的隔離器件。

定向耦合器的耦合系數(shù)太大或太小都不好，如果耦合系數(shù)太大，則接收機(jī)端的標(biāo)簽信號(hào)會(huì)衰減過大，導(dǎo)致低于閱讀器芯片靈敏度無法解調(diào)；同理如果耦合系數(shù)太小，則會(huì)有更多的載波泄漏入接收機(jī)。

在使用環(huán)形器和隔離器的電路中，天線的阻抗匹配是非常關(guān)鍵的參數(shù)，尤其是在閱讀器大功率輸出時(shí)，如果天線適配嚴(yán)重，則會(huì)引起接收機(jī)載波泄漏過大導(dǎo)致接收靈敏度下降。因此閱讀器大功率輸出時(shí)一定要選擇輸入反射系數(shù)小的天線，若天線的S11>-10dB，則接收機(jī)很容易被泄漏的載波阻塞無法工作。

許多閱讀器都帶有載波泄漏強(qiáng)度指示功能，可以顯示當(dāng)前的載波泄漏情況，也從側(cè)面說明天線的匹配是否良好。如果未連接天線或天線適配嚴(yán)重，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出提醒，建議使用者檢查接頭或更換天線。其目的為保護(hù)電路，當(dāng)大功率的PA輸出的信號(hào)都返回到閱讀器時(shí)容易引起高溫，從而損壞電路。