CN203840351U - 一种窄带载波泄漏消除器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种在超高频射频识别读写器中用于消除接收回路载波的消除器。本实用新型窄带载波泄漏消除器由一个环形桥耦合器和一个反射网络电路构成，其中：环形桥耦合器是在一个绝缘层的一面设置一个导电层，在该绝缘层的另一面设置一个其上带有四个端口的环状导电环；反射网络电路由并联的电阻、电容和电感组成，且电阻电容和电感一端接4端口，另外一端直接接地。本实用新型具有结构简单、成本低、可使窄带收发电路有极高的隔离度，完全可以满足读写器高接收灵敏度和远距离识别的需求，特别适用于中国的UHF RFID系统中，本实用新型既可与窄带收发电路电路板做成一体的，也可以是单独的元件。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种微波器件，特别是一种在超高频射频识别读写器中用于消除接收回路载波的消除器。
背景技术
随着物联网概念的提出，射频识别技术得到高速发展，在工业、农业、商业等领域得到广泛的应用，例如公交收费系统、物流管理、人员的安全监控以及生产过程的控制和超市的商品管理等，射频识别技术已经深入到人们生活的方方面面。
射频识别系统主要由读写器，应答器和后台数据处理系统组成，其中读写器的灵敏度和应答器的反向散射性能决定了系统的读取距离。
由于应答器没有直流电源供应，读写器必须发射一个连续波信号激活应答器，然后应答器含有数据信息的调制信号反向散射回读写器，经过后台处理后得到所需要的信息。由于发射信号和接收信号的频率非常接近，不能用滤波器将它们分离，所以一般用环形器将读写器的收发信号分开。
环形器的隔离度一般只有25dB左右，在读写器发射机输出功率为1W的情况下，在接收回路泄露的载波为6dBm。而典型的读写器接收机接收灵敏度为-80dBm，如果天线增益为6dBi，那么在接收回路泄露的载波功率将比接收信号大80dB。这么大的泄露信号不仅能够淹没接收信号，造成接收灵敏度降低，而且容易造成接收回路饱和，使得接收机不能正常工作。
为了能够降低和消除接收回路的载波信号，近年来很多学者提出了各种载波消除的方法。W.Lim和J.Yu等人提出采用两个天线来分离发射和接收信号如文献1：W. Lim and J.Yu. Balanced circulator structure with enhanced isolation characteristics[J]. Microw.Opt.Technol.Lett. Sep. 2008. 50(8). pp:2389 -2391.。虽然这种方法能够提高隔离度，但是同时也增加了系统的复杂程度和成本。Pekka Pursula等人提出了正交反馈的载波消除电路，可以使接收机的动态范围增大10dB左右，如文献2：Pekka Pursula，Mikko Kiviranta and Heikki Seppa. UHF RFID Reader with Reflected Power Canceller[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters. January 2009. 19(1).pp:48-50。文献3：Thomas Brauner ,Xiongwen Zhao. A Novel Carrier Suppression Method for RFID[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters.March 2009. 19(3).pp:128-130.公开了用PIN二极管构成反射调制器的定向耦合器型载波消除电路，接收端的载波被抑制了42dB。文献4：Wan Kyu Kim, Moon Que Lee,Jin Hyun Kim etcs. A Passive Circulator for RFID Application with High Isolation using a Directional Coupler[C]. Proceedings of the 36th European Microwave Conference.September 2006. Manchester UK.pp:196-199.公开了用定向耦合器构成的载波消除器使得接收端的载波被抑制了45dB。文献5：Peng Bai,Yingzeng Yin and Xi Yang. A Novel Rx-Tx Front-Ends for Passive RFID Reader with High Isolation[C]. IEEE 2007 International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation, and EMC Technologies for Wireless Communications.pp:332-335.提出了分支线型的载波消除电路，收发隔离度达到46dB。文献6：Ting-wen Xiong; Xi Tan; Jing-tian Xi; Hao Min. High TX-to-RX Isolation in UHF RFID Using Narrowband Leaking Carrier Canceller[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2010. 20(2):124-126.提出了用定向耦合器，环形器和功率分配器等器件构成的窄带载波泄露消除器，达到了很好的性能，但是电路复杂，且成本较高。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种简单，易于实现，生产成本低，隔离度高，可以与电路板共形的、基于环形桥的窄带读写器载波泄露抵消器。
本实用新型的一种窄带载波泄漏消除器，其特征在于所述的窄带载波泄漏消除器由一个环形桥耦合器和一个反射网络电路构成，其中：环形桥耦合器是在一个绝缘层的一面设置一个导电层，在该绝缘层的另一面设置一个其上带有四个端口的周长为1.5倍波长λ环状导电环，λ为UHF频段射频识别系统的工作波长，环的宽度为2.3mm，各端口间距离为四分之一个波长λ，端口1至端口4之间的距离为四分之三个波长λ，端口的宽度为4mm，端口的长度适于与其它器件连接即可，所设置的导电层和导电环平面均与绝缘层表面平行；反射网络电路由并联的电阻、电容和电感组成，且电阻电容和电感一端接4端口，另外一端直接接地。
本实用新型的窄带载波泄漏环形桥消除器也可以是在一个绝缘层的一面设置一个导电层，在该绝缘层的另一面设置一个半径为3λ/4π、弧长为3λ/4的圆弧和与此圆弧相交的由三个相交的小半圆环形成的S形构成的导电环，其中的三个小半圆环总长度为3λ/4、各小圆弧的直径均等于 ，环宽度为为2.3mm，各端口间距离为四分之一个波长λ，端口1至端口4之间的距离为四分之三个波长λ，端口的宽度为4mm，端口的长度适于与其它器件连接即可，所设置的导电层和导电环平面均与绝缘层表面平行；反射网络电路由并联的电阻、电容和电感组成，且电阻电容和电感一端接4端口，另外一端直接接地。
上述本实用新型的窄带载波泄漏消除器中，环形桥耦合器的介质层与导电层为双面敷铜介质板，导电环可通过刻制或腐蚀形成；反射网络电路中电阻的阻值为R=50Ω，电感为L=60nH,电容为C=0.5pF。
本实用新型利用环形桥的特点，同时利用了各个端口的相位差，通过调节环形桥第四个端口的反射系数，最终达到消除泄露载波的目的。另外为了实现小型化，把圆环形导电环改为用三个小半圆连接的S形结构，可在保证其功能的同时明显减小整个装置的尺寸。
与现有的技术相比，本实用新型的优点在于：
1）结构简单、成本低，几乎不需要什么元器件，只需要电路板上的铜皮和三个RLC分立元件，它即可与窄带收发电路电路板做成一体的，使本实用新型成为窄带收发电路的一个组成部分，也可以单独的元件与现有的窄带收发电路使用。
2）采用本实用新型后可使窄带收发电路有极高的隔离度，完全可以满足读写器高接收灵敏度和远距离识别的需求。
3）本实用新型特别适用于中国的UHF RFID系统中。
附图说明
图1为本实用新型的第一种结构导电环形状示意图。
图2为本实用新型的第二种结构导电环形状示意图。
图3表示4端口的反射网络的电路图
图4为软件仿真的数据，表示为发射机到天线端的传输系数曲线，表示了发射机到天线的传输关系。
图5 表示接收机和发射机之间的隔离度的关系。
图6表示接收机接收到的信号频谱，表示所述小型化环形桥载波消除器在发射机发射连续载波，天线接收振幅调制信号后，接收回路的信号功率谱。
图7 接收回路在920MHz处的泄漏载波频谱的测试结果。
图8接收回路在925MHz处的泄漏载波频谱的测试结果。
图9接收回路在922.5MHz处的泄漏载波频谱的测试结果。
上述图中，黑色部分是导电环，1、2、3和4均为导电环上的端口，图2中的A接图1或图2的端口4。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。本实用新型实际上是一种无源的微带结构环形桥载波消除电路。
图1和图2是本实用新型的两种导电环结构示意图，它在双面敷铜介质板的一面用腐蚀的方式形成导电环，其另一面为导电层构成的接地的基板。在本实用新型的实施例中所用的介质层厚度h =1.5mm,相对介电常数ε=2.65。
在图1给出的本实用新型的第一种结构中圆环直径为，适用于UHF频段中920MHz-925MHz范围的读写器。
在图2给出的本实用新型的第一种结构中大半圆环的半径R =53mm，小半圆环的半径r =R/3，大的半圆环和三个小的半圆环微带的宽度，四个端口微带的宽度w =4mm，端口微带的长度L =2mm，这一实施例同样是适用于UHF频段中920MHz-925MHz范围的读写器。
图3的电路是由电阻、电容和电感组成一个RLC反射网络，其中各元件为：R =50Ω，L=60nH,C=0.5pF。在使用中连续波信号从图1或图2的端口1输入到变形的载波消除器，从图1或图2的端口2输出到天线上，传输特性如图3所示。接收信号由图1或图2的端口2的天线端输入，从图1或图2的端口3输出到接收回路，同时在接收回路有端口1泄露到端口3的连续载波和由于天线端的非理想匹配反射回3口的连续载波，为了抵消这些泄露，将图1或图2中所示的端口4与图3的A相接，使得反射回端口2的连续载波刚好和泄露的载波消除，通过调节端口4的反射系数，即调节图3中电阻、电感和电容的值可适用于不同频率范围的读写器。发射机和接收机之间的隔离度关系如图4。图3中，在920MHz到925MHz的频带内，此变形的载波消除器插入损耗只有3dB。图4中，接收端和发射端的隔离度S(3,1)在中心频点922.5M处为-83dB,在起始和终止频点处为-55dB。
图5为最终接收端实际接收信号的频率图，从图中可知，本实用新型变形的环形桥载波抑制电路把接收回路泄露的载波抑制到-53dBm。可以提高读写器接收灵敏度，增大和标签的读取距离，可以满足中国UHF频段RFID系统的需求。
本实用新型具体的实施例的测试方案中天线用50欧姆负载代替天线，射频信号源作为连续波产生器接端口1，频谱分析仪作为接收机接端口3，端口4通过反射网络控制反射信号的大小，这样可以测试接收回路最终泄漏的载波大小。图7中在窄带边频920MHz处泄漏的载波功率被抑制到了-61dBm，图8中在窄带边频925MHz处，泄漏的载波功率被抑制到-69dBm，图9中在中心频率处载波功率被抑制到了-74dBm，而使用传统环行器的读写器在中心频率处接收回路的载波泄漏功率高达-11dBm，变形的环形桥同环行器相比将载波抑制提高了63dB。
以上所述仅为一个实施例，当然，本实用新型还可以有其他多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本实用新型实施各种相应的变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种窄带载波泄漏消除器，其特征在于所述的窄带载波泄漏消除器由一个环形桥耦合器和一个反射网络电路构成，其中：环形桥耦合器是在一个绝缘层的一面设置一个导电层，在该绝缘层的另一面设置一个其上带有四个端口的周长为1.5倍波长λ环状导电环，λ为UHF频段射频识别系统的工作波长，环的宽度为2.3mm，各端口间距离为四分之一个波长λ，端口1至端口4之间的距离为四分之三个波长λ，端口的宽度为4mm，端口的长度适于与其它器件连接即可，所设置的导电层和导电环平面均与绝缘层表面平行；反射网络电路由并联的电阻、电容和电感组成，且电阻电容和电感一端接4端口，另外一端直接接地。
2. 根据权利要求1所述的一种窄带载波泄漏消除器，其特征在于所述的环形桥耦合器的介质层与导电层为双面敷铜介质板，导电环通过刻制或腐蚀形成；所述的反射网络电路中电阻的阻值为R=50Ω，电感为L=60nH,电容为C=0.5pF。
3. 一种窄带载波泄漏消除器，其特征在于所述的窄带载波泄漏消除器由一个环形桥耦合器和一个反射网络电路构成，其中：环形桥耦合器是在一个绝缘层的一面设置一个导电层，在该绝缘层的另一面设置一个半径为3λ/4π、弧长为3λ/4的圆弧和与此圆弧相交的由三个相交的小半圆环形成的S形构成的导电环，其中的三个小半圆环总长度为3λ/4、各小圆弧的直径均等于 ，环宽度为为2.3mm，各端口间距离为四分之一个波长λ，端口1至端口4之间的距离为四分之三个波长λ，端口的宽度为4mm，端口的长度适于与其它器件连接即可，所设置的导电层和导电环平面均与绝缘层表面平行；反射网络电路由并联的电阻、电容和电感组成，且电阻电容和电感一端接4端口，另外一端直接接地。
4. 根据权利要求3所述的一种窄带载波泄漏消除器，其特征在于所述的环形桥耦合器的介质层与导电层为双面敷铜介质板，导电环通过刻制或腐蚀形成；所述的反射网络电路中电阻的阻值为R=50Ω，电感为L=60nH,电容为C=0.5pF。
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