带短路支节的高隔离度分支线定向耦合器设计研究-毕业论文.doc
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1、单位代码: 10293 密 级: 硕 士 学 位 论 文论文题目:带短路支节的高隔离度分支线定向耦合器设计研究 学 科 专 业研 究 方 向申请学位类别论文提交日期 电磁场与微波技术 移动通信与射频技术 工学硕士 二零一五年三月 摘要定向耦合器是一种常用微波无源元件,在无线系统的射频前端中有着广泛的应用。特别在收发同频的无线系统中定向耦合器常常被用作隔离收发信号的一种关键部件。但是传统的定向耦合器隔离度偏低且工作带宽较窄,无法满足系统的要求。本文以分支线定向耦合器为研究对象,主要围绕如何提高其隔离度和增加工作带宽来进行深入研究。论文的主要工作和创新点包括:(1)根据功率相消原理在其耦合端口增加
2、一条微带短路支节,设计出一款3dB带短路支节双分支线定向耦合器。这种方法结构简单,易于实现,且能够大幅提高耦合器隔离度。(2)完成了一款实验样品的加工、测量工作,验证了短路支节线用于提高双分支线定向耦合器隔离度的效果,以及工作带宽提高不明显的缺点。(3)在双分支线定向耦合器基础上,总结出一种有效提高其工作带宽的方法:增加耦合路径,并设计出一款3dB三分支线定向耦合器,该耦合器能够大幅拓宽工作带宽。在3dB带短路支节双分支线定向耦合器的基础上设计出一款3dB带短路支节三分支线定向耦合器,该款改进型定向耦合器在很大程度上拓宽了工作带宽,且提高了隔离度。 关键词: 定向耦合器,隔离度,短路支节,工作
3、带宽Abstract Reader is an important part of the RFID system, and the reader send and receive isolation is one of the key performance of RFID system. At present, the most common methods to improve the reader transceiver isolation degree is to add directional coupler in front of the reader antenna feed
4、network.The traditional directional coupler isolation and working bandwidth is narrow,and can not meet the requirements if the RFID system. In this paper,we focus on the branch line of directional coupler and research on how to improve the isolation and increase bandwidth. The main work and innovati
5、on of this paper include:(1) We use method of old-even mode to analyze the double branch line directional coupler,anduse the HFSS simulation software to model and simulation,find the directional has a low degree isolation shortcoming. In order to increase isolation of the directional coupler,accordi
6、ng to the theory of destructive power we increase a short branch section in the port, and design a 3dB dual-branch directional coupler with a short branch section.This method is simple in structure, easy to implement, and can greatly improve the coupler isolation. (2) We process the 3dB dual-branch
7、directional coupler with a short branch section into objects, using a vector network analyzer to measure it,finally compare the simulation results and measurement results and found the isolation has been improved in the very great degree but the bandwith is not obvious increased. (3) Base on the dua
8、l branch line directional coupler,we sum an effective operating to improve its bandwidth approach:increase the coupling path,anddesign a3dB three-branch linedirectional coupler,the couplercangreatly expand the bandwidth.Base on the dual-branch line directional coupler with a short branch section we
9、design a 3dB three-branch directional coupler with a short branch section,The directional coupler significantly increases the operating bandwidth, and improve the isolation.Key words: the RFID system, isolation , short branch section, directional coupler目录第一章 绪论11.1 研究的背景与意义11.2 RFID系统基本介绍11.3 RFID系
10、统现状和进展31.3.1 RFID系统使用现状31.3.2 RFID系统中读写器收发隔离技术的重要程度31.4 本文的主要工作及内容安排4第二章 定向耦合器基本原理62.1 定向耦合器工作原理62.1.1 定向耦合器基本特性62.1.2 定向耦合器理论分析72.1.3 定向耦合器的技术指标92.2 常见定向耦合器的介绍102.2.1 平行耦合线定向耦合器112.2.2 波导定向耦合器112.2.3 分支线定向耦合器132.2.3 环形定向耦合器142.3 3dB微带分支线定向耦合器理论分析152.4 本章小结18第三章 带短路支节双分支线定向耦合器设计193.1 3dB双分支线定向耦合器设计1
11、93.1.1 3dB双分支线定向耦合器ADS仿真193.1.2 微带线理论分析213.1.3 3dB双分支线定向耦合器建模与结果分析233.2 3dB带短路支节双分支线定向耦合器设计263.2.1 3dB带短路支节双分支线定向耦合器的工作原理273.2.2 3dB带短路支节双分支线定向耦合器建模与仿真293.2.3 相关参数优化与结果分析313.2.4 两款定向耦合器对比分析383.3 本章小结40第四章 实物测试与结果分析414.1 实物加工与测试414.2 测试结果与仿真结果分析444.3 本章小结47第五章 改进型微带分支线定向耦合器设计485.1 3dB微带三分支线型定向耦合器设计48
12、5.1.1 3dB微带三分支线定向耦合器ADS仿真485.1.2 3dB微带三分支线定向耦合器建模与仿真515.2 3dB带短路支节三分支线定向耦合器设计545.2.1 3dB带短路支节三分支线定向耦合器建模与仿真545.2.2 参数优化与结果分析565.2.3 3dB带短路支节双分支线和3dB带短路支节三分支线定向耦合器对比分析605.3 本章小结61第六章 总结与展望62参考文献6465南京邮电大学硕士研究生学位论文第六章 总结与展望第一章 绪论1.1 研究的背景与意义无线射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)是一种非接触式的自动识别技术,它
13、的主要特征是运用射频信号和空间耦合传输特性,达到对被识别物体的自动识别1。RFID技术是在雷达的理念的基础上,并由此进化出来的一类新型自动识别技术。19世纪40年代,哈里斯托克曼所创新的“利用反射功率的通信”从而奠定了无线射频技术的相关基础理论2。无线射频识别系统一般由电子标签(应答器)和阅读器(读头)这两个部分构成。RFID的现实运用中10,11,电子标签贴敷于被识别物体的表面或内部,每当带有着电子标签的被识别物体经过它的可识读范围内,阅读器可以自己用非接触的方式将电子标签中的识别信息提取,进而达到自动收集物品标志信息或自动识别物品的性能。RFID技术起始于上个世纪90年代,它是一个新的自动
14、化识别技术,而且发展迅速且得到了很大的肯定。RFID是一类新型的无接触识别技术,它运用发射射频信号经过空间的耦合来自动识别需要识别的物体。RFID技术相比于早期的识别技术如IC卡等最大的优势在于其并不需要与待识别物体接触就可以实现自动识别的功能,因此这一技术在射频通信领域得到了十分迅速的发展。无线射频识别技术应用范围非常大,如制造,信息,材料等新技术方面,也覆盖了无线通信,芯片设计,集成系统,信息安全等层面。在21世纪初,美国,欧洲等西方发达国家及地区已申请了数千项涉及到RFID的专利。因而,我国目前将RFID技术的列入深入研究已经是迫不及待且有着十分重大的影响。RFID技术的研究迅速依赖着很
15、多技术的共同进步。其所涉及的关键技术包括:芯片、无线接收发、电磁传播、数据转换和编码等。RFID技术的发展路程已经跨过50个年头,21世纪的这些年中它的发展很快。伴随技术的迅速发展,RFID衍生物品的类别将会越来越多,而随之而来的应用也会更多。能够想象到,今后的岁月中,RFID技术仍继续维持以这种快速的发展趋势9。1.2 RFID系统基本介绍 RFID的实现形式如下1-1,它的构成由读写器,电子标签和后台数据管理系统这个三个模块4。该系统的基本原理为:读写器利用天线发射指定频率的射频信号给电子标签,电子标签运用耦合机制反馈数据信息于读写器,再经过后台数据管理对数据信息进行相关处理和分析并发出有
16、关的处理信号给射频终端设备。图1.1 RFID的基本结构图读写模块和信号发射接收这两块构成了阅读器,而读写模块又由读写电路和读写程序这两块组成,读写器则是用来链接应答器和应用系统,信号发射和接收部分由射频信号放大器、滤波器、检波器及发射天线等几部分共同构成5。RFID系统的标签是芯片电路和元件两块所构成。标签是含有识别信息且有具有表明身份信息的编码,标签由天线、电容和芯片等几个部分组成。对于标签的种类,当今市面上的标签有下面几种:无源、有源和半有源半无源。后台数据管理系统承担的主要职责是对数据信息进行存储及处理操作,此系统可以是功能唯一的本地软件,也可以使用集成了无线射频识别系统管理模块的分布
17、式ERP管理软件来替代7。一个完整的RFID系统的运行过程如下,读写器天线连续将指定频率的信号发射到周围的空间当中去,每当在读写器的可识读范围内进入了具有电子标签的识别物体时,此时电子标签内的天线和线圈能够感应出相应的感应电流。此时,电子标签就会利用感应出来的电流为自己提供能量,使得标签芯片内存储的待识别物品的数据信息由标签天线发射出去,当读写器天线接收到电子标签返回的电磁信号时,把该电磁信号经过检波和解码,再将接收到的数据信息反馈给后台的数据库管理系统进行数据分析和整合处理,然后管理系统将所获得的识别物数据信息和自身数据库数据进行比对,最终完成对待识别物的识别目的2-4。1.3 RFID系统
18、现状和进展1.3.1 RFID系统使用现状目前国际上使用的RFID系统的工作频段主要包括低频(LF)、高频(HF)和超高频(UHF)以及微波频段这四个不同的频段7。低频RFID系统主要工作频段是100kHz-500kHz,通常用的工作频率是125kHz和134.2kHz两种;高频RFID系统主要工作频段是10MHz-15MHz,比较常用的工作频率是13.56MHz;超高频RFID系统主要工作频段是850MHz-960MHz,比较常用工作频率是915MHz;微波RFID系统主要工作在2.4GHz-5Ghz频段。具体情况见表1.112:表1.1 不同频段的RFID系统详情1.3.2 RFID系统中
19、读写器收发隔离技术的重要程度众所周知,RFID系统中读写器和电子标签之间是用数字信号信息进行传输和交换的,射频标签和读写器中的天线只能发射和接收模拟信号,那么,首当其冲的就是要把数字信号变换成模拟信号然后经天线发射出去。而在收发具有相同频率的RFID系统中,读写器的发射信号和接收端的接收信号难免要产生同频互扰,此时读写器的抗干扰能力的强弱就对整个RFID系统的使用质量就起着非常重要的影响。读写器的抗干扰能力具体体现在读写器的收发隔离性能方面。因此,读写器天线的收发隔离性能的好坏直接决定了整个RFID系统的运行质量的好与坏,如果读写器天线的收发隔离性能较差,就会造成接收端接收到天线发射端的同频强
20、信号,从而对信号接收机进行干扰,造成信号处理出现误码,对整个RFID系统的正常使用产生了严重的危害 13,14。RFID系统中至关重要的一部分就是读写器,它的结构图如下1.2所示,它的好坏将会对整个RFID系统都产生一定影响。常见的RFID系统中采用环行器作为收发隔离器来提升隔离度,然而环行器是基于铁氧体制作而成的,成本高,体积大,隔离度较低,并不满足RFID读写器的隔离度要求43-45。图1.2 读写器结构图为了能够提升该器件的隔离度,常见改进如:一种是改变天线自身的结构来提升隔离度的性能6-8;一种是提高天线前端馈电网络的隔离性能来提升系统收发隔离度16-18。而关于天线结构的改变是非常有
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