智能定向耦合器的設(shè)計(jì)

【摘要】 對于無線信號同頻同時(shí)收發(fā)的單天線系統(tǒng)，一個重要的問題是要解決自身發(fā)送的前向信號對接收的反向信號的干擾。本文實(shí)現(xiàn)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(tǒng)上進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明：采用了智能定向耦合器技術(shù)后，系統(tǒng)的前反向隔離度由28dB提高到55dB，提高了27dB，減少了系統(tǒng)前反向干擾，提高了接收靈敏度和系統(tǒng)通訊距離。

【關(guān)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(shí)收發(fā)的單天線系統(tǒng)如雷達(dá)，無源RFID 等，一個重要的問題是要解決自身發(fā)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(tǒng)性能下降。一是導(dǎo)致射頻鏈路阻塞，使射頻鏈路的增益不能很高。二是導(dǎo)致基帶信號直流偏移，在傳送碼流直流平衡的編碼時(shí)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(shí)系統(tǒng)要解決的關(guān)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(huán)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(huán)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(huán)境影響下會發(fā)生變化，導(dǎo)致隔離度下降，因此實(shí)際工作時(shí)系統(tǒng)的隔離度會降到20dB，或者更低。更復(fù)雜的情況是，由于實(shí)際應(yīng)用時(shí)電磁場環(huán)境快速變化，通過更改電容電感調(diào)整電路阻抗改善隔離度的方法適應(yīng)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(qiáng)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(jié)構(gòu)新穎的定向耦合器自適應(yīng)對消方法，能實(shí)時(shí)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(tǒng)發(fā)送信號時(shí)，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(shí)，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(shí)現(xiàn)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(jié)點(diǎn)，用來反射前向信號。利用傳輸線的傳輸延時(shí)對信號移相，使相鄰節(jié)點(diǎn)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(dá)各節(jié)點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)阻抗不為50歐時(shí)，由于阻抗不連續(xù)時(shí)，部分信號會從節(jié)點(diǎn)反射回耦合端口，可以看出相鄰節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)上通過PIN二極管實(shí)現(xiàn)的可變電阻來改變節(jié)點(diǎn)阻抗，節(jié)點(diǎn)阻抗變化引起反射信號的幅度變化。四個反射結(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)

反射信號控制模塊采用FPGA實(shí)現(xiàn)，模塊結(jié)構(gòu)功能如圖3所示。

正交解調(diào)器解調(diào)出I、Q兩路信號，經(jīng)過表示反向泄漏信號的強(qiáng)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(jīng)過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到FPGA芯片后，首先輸入進(jìn)行濾波處理，過濾掉高頻噪聲信號。然后輸入到相位旋轉(zhuǎn)單元， 通過改變信號的旋轉(zhuǎn)角度和增益，來調(diào)整IQ信號的相位和幅度，相位旋轉(zhuǎn)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(jìn)行積分處理，同相積分器輸出結(jié)果為：

I+=A×r1×∫cos（θ1-θ） （6）

Q+=A×r1×∫sin（θ1-θ） （7）

反向積分器輸出結(jié)果為：

I-=（-1）×A×r1×∫cos（θ1-θ） （8）

Q-=（-1）×A×r1×∫sin（θ1-θ） （9）

判斷模塊實(shí)時(shí)檢測I、Q信號的幅度，當(dāng)I2+Q2小于閾值時(shí)，表明耦合器的前反向隔離度已經(jīng)達(dá)到要求，此時(shí)積分器停止輸出控制信號保持不變。

四、仿真和實(shí)際測試

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

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

五、結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)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(tǒng)上進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明：采用了智能定向耦合器技術(shù)后，系統(tǒng)的前反向隔離度由28dB提高到55dB，提高了27dB，減少了系統(tǒng)前反向干擾，提高了接收靈敏度和系統(tǒng)通訊距離。

參 考 文 獻(xiàn)

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