基于复平面圆图的RFID振荡器设计方法研究

　　射频识别(RFID)是物联网感知环节识别物体、采集信息的重要手段[1-2]。近年物联网被世界各国作为战略性新兴产业加以培育和发展，RFID已经成为通信和电子领域的一个关键技术，引起了广泛关注。振荡器是RFID射频前端的关键模块，低功耗和小体积是RFID的两个重要性能指标[3-4]。但目前射频振荡器主要采用压控振荡器(VCO)[5]，由于VCO同时采用晶体管和二极管两个有源器件，很难满足RFID对低复杂度的要求，需要针对RFID研究新的振荡器设计方法。

　　本文提出了一种新的RFID产生振荡的设计方法，采用晶体管和无源网络设计振荡器。给出了RFID射频振荡器的电路结构，提出了提高射频振荡器综合性能的方法，对仿真曲线和仿真结果进行了分析，为RFID振荡器改善性能、适应物联网的需求开辟了一种新的途径。

　　射频振荡器的工作原理

　　振荡器是一种非线性电路，它将直流功率转换为射频功率[6]。振荡器的核心是一个能够在特定频率上实现正反馈的环路，当工作频率达到GHz量级时，电压和电流的波动特性将不能被忽略[7-9]，需要讨论基于反射系数Γ和S参量的射频振荡器。双端口射频振荡器由晶体管、调谐网络和终端网络三部分组成。图1描述了射频振荡器的工作原理。

　　射频振荡器产生振荡需要满足如下3个条件[10-11]:

　　k<1,ΓinΓS=1,ΓoutΓT=1 (1)

　　其中,Γin=S11+S12S211-S22ΓTΓT , Γout=S22+S12S211-S11ΓSΓS。振荡器起振要求k<1、Γin>1、Γout>1。振荡器由调谐网络和终端网络构成,调谐网络决定振荡频率,终端网络确保振荡的产生。

　　射频振荡器的设计方案

　　射频振荡器的设计方案:稳定性因子k和反射系数Γin 、Γs 、Γout 、ΓT均可以在史密斯圆图的复平面上画出,因此本方案提出在不稳定区域中选择反射系数,使振荡器起振最快、功率输出最大。

　　2.1振荡器起振的条件

　　振荡器Zin=Rin+jXin是有源器件的输入阻抗,ZS=RS+jXS是无源负载阻抗。若使振荡器产生振荡,需要满足如下条件:

　　Rin+RS=0,Xin+XS=0 (2)

　　振荡器在起振时,仅有式(2)是不够的,还要求整个电路在某一频率ω下出现不稳定,即有Rin(I,ω)+RS<0。故振荡器起振的条件为:

　　RS=|Rin|/3 (3)

　　XS=-Xin (4)

　　其中,式(3)保证电路起振,式(4)保证电路谐振。

　　2.2设计方法

　　设计方法分如下几个步骤:

　　(1)计算稳定性因子k。若k>1,则配以正反馈来增加其不稳定性。

　　(2)在复平面上画出史密斯圆图以及输入和输出稳定判别圆,如图2所示。在不稳定区域中,首先选择反射系数ΓT,使其满足|Γin|>1,由ΓT确定终端网络。

　　(3)选择调谐网络的阻抗ZS,振荡器起振的条件为Rin+RS<0,ZS的虚部选为XS=-Xin。

　　(4)由阻抗RS+jXS确定调谐网络。

　　(5)在不稳定区域ΓT和ΓS有无穷多个可取值,若起振时间与输出功率不满足指标要求,则重复步骤(2)和(3)以满足指标要求。

　　(6)最终确定终端网络和调谐网络。

　　仿真结果

　　3.1振荡器电路

　　振荡电路如图3所示。本设计振荡器的晶体管采用惠普公司的hp_AT41411,为增加其不稳定性配以正反馈,在基极串联了一个2 nH的电感。振荡器的振荡频率为2.25 GHz,系统的特性阻抗为50Ω。在晶体管上添加调谐网络和终端网络,以确定振荡频率、最大输出功率和相位噪声等因素。

　　3.2起振时间和频谱输出仿真

　　对振荡器的起振时间进行瞬态仿真,对振荡频率和输出功率进行频谱输出仿真。观察振荡器输出的时域和频域信号,给出几组瞬态输出曲线和振荡频率仿真曲线,如图4所示。

　　振荡器的起振时间示于瞬态仿真图中,分3组曲线给出。图4(a)中标记m1和m2所在的曲线给出了振荡器第1种状态,标记m1和m2的瞬态电压输出均为381.6 mV;图4(b)中标记m4和m5所在的曲线给出了振荡器第2种状态,标记m4和m5的瞬态电压输出均为368.2 mV;图4(c)中标记m7和m8所在的曲线给出了振荡器第3种状态,标记m7和m8的瞬态电压输出均为354.3 mV。由图可以看出,3种状态振荡器均已起振,振荡器在第1种状态时起振的时间最短,在第3种状态时起振的时间最长。

　　振荡器的振荡频率和输出功率示于频谱输出图中,分3组曲线给出。图4(a)中标记m3所在的曲线给出了振荡器第1种状态,图4(b)中标记m6所在的曲线给出了振荡器第2种状态,图4(c)中标记m9所在的曲线给出了振荡器第3种状态。由图可以看出,标记m3、m6和m9的振荡频率均为2.250 GHz,表明振荡频率相同时,振荡器在第一种状态时输出功率最大,在第3种状态时起输出功率最小。

　　对图4的瞬态仿真图和频谱输出图进行综合分析后可以看出,振荡器在第1种状态时起振的时间最短,输出功率最大;在第3种状态时起振的时间最长,输出功率最小。

　　本文提出采用晶体管与无源网络设计射频振荡器,与压控振荡器(VCO)相比具有有源器件少、功耗低、复杂度低的优点。基于复平面圆图设计RFID射频振荡器,提出了射频振荡器的电路结构,给出了射频振荡器在复平面上的图解方法。仿真结果表明,晶体管配以正反馈可增加不稳定性,调谐网络和终端网络决定振荡频率并确保振荡产生,在晶体管反射系数较大时振荡器开始起振,起振时间越短功率输出越大。本文提出的射频振荡器是非常实际的问题,可为RFID及其他射频振荡器的设计提供参考。