基于復(fù)平面圓圖的RFID振蕩器設(shè)計方法研究

　　射頻識別(RFID)是物聯(lián)網(wǎng)感知環(huán)節(jié)識別物體、采集信息的重要手段[1-2]。近年物聯(lián)網(wǎng)被世界各國作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)加以培育和發(fā)展，RFID已經(jīng)成為通信和電子領(lǐng)域的一個關(guān)鍵技術(shù)，引起了廣泛關(guān)注。振蕩器是RFID射頻前端的關(guān)鍵模塊，低功耗和小體積是RFID的兩個重要性能指標(biāo)[3-4]。但目前射頻振蕩器主要采用壓控振蕩器(VCO)[5]，由于VCO同時采用晶體管和二極管兩個有源器件，很難滿足RFID對低復(fù)雜度的要求，需要針對RFID研究新的振蕩器設(shè)計方法。

　　本文提出了一種新的RFID產(chǎn)生振蕩的設(shè)計方法，采用晶體管和無源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計振蕩器。給出了RFID射頻振蕩器的電路結(jié)構(gòu)，提出了提高射頻振蕩器綜合性能的方法，對仿真曲線和仿真結(jié)果進行了分析，為RFID振蕩器改善性能、適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的需求開辟了一種新的途徑。

　　射頻振蕩器的工作原理

　　振蕩器是一種非線性電路，它將直流功率轉(zhuǎn)換為射頻功率[6]。振蕩器的核心是一個能夠在特定頻率上實現(xiàn)正反饋的環(huán)路，當(dāng)工作頻率達到GHz量級時，電壓和電流的波動特性將不能被忽略[7-9]，需要討論基于反射系數(shù)Γ和S參量的射頻振蕩器。雙端口射頻振蕩器由晶體管、調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò)三部分組成。圖1描述了射頻振蕩器的工作原理。

　　射頻振蕩器產(chǎn)生振蕩需要滿足如下3個條件[10-11]:

　　k<1,ΓinΓS=1,ΓoutΓT=1 (1)

　　其中,Γin=S11+S12S211-S22ΓTΓT , Γout=S22+S12S211-S11ΓSΓS。振蕩器起振要求k<1、Γin>1、Γout>1。振蕩器由調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)決定振蕩頻率,終端網(wǎng)絡(luò)確保振蕩的產(chǎn)生。

　　射頻振蕩器的設(shè)計方案

　　射頻振蕩器的設(shè)計方案:穩(wěn)定性因子k和反射系數(shù)Γin 、Γs 、Γout 、ΓT均可以在史密斯圓圖的復(fù)平面上畫出,因此本方案提出在不穩(wěn)定區(qū)域中選擇反射系數(shù),使振蕩器起振最快、功率輸出最大。

　　2.1振蕩器起振的條件

　　振蕩器Zin=Rin+jXin是有源器件的輸入阻抗,ZS=RS+jXS是無源負(fù)載阻抗。若使振蕩器產(chǎn)生振蕩,需要滿足如下條件:

　　Rin+RS=0,Xin+XS=0 (2)

　　振蕩器在起振時,僅有式(2)是不夠的,還要求整個電路在某一頻率ω下出現(xiàn)不穩(wěn)定,即有Rin(I,ω)+RS<0。故振蕩器起振的條件為:

　　RS=|Rin|/3 (3)

　　XS=-Xin (4)

　　其中,式(3)保證電路起振,式(4)保證電路諧振。

　　2.2設(shè)計方法

　　設(shè)計方法分如下幾個步驟:

　　(1)計算穩(wěn)定性因子k。若k>1,則配以正反饋來增加其不穩(wěn)定性。

　　(2)在復(fù)平面上畫出史密斯圓圖以及輸入和輸出穩(wěn)定判別圓,如圖2所示。在不穩(wěn)定區(qū)域中,首先選擇反射系數(shù)ΓT,使其滿足|Γin|>1,由ΓT確定終端網(wǎng)絡(luò)。

　　(3)選擇調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的阻抗ZS,振蕩器起振的條件為Rin+RS<0,ZS的虛部選為XS=-Xin。

　　(4)由阻抗RS+jXS確定調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)。

　　(5)在不穩(wěn)定區(qū)域ΓT和ΓS有無窮多個可取值,若起振時間與輸出功率不滿足指標(biāo)要求,則重復(fù)步驟(2)和(3)以滿足指標(biāo)要求。

　　(6)最終確定終端網(wǎng)絡(luò)和調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)。

　　仿真結(jié)果

　　3.1振蕩器電路

　　振蕩電路如圖3所示。本設(shè)計振蕩器的晶體管采用惠普公司的hp_AT41411,為增加其不穩(wěn)定性配以正反饋,在基極串聯(lián)了一個2 nH的電感。振蕩器的振蕩頻率為2.25 GHz,系統(tǒng)的特性阻抗為50Ω。在晶體管上添加調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò),以確定振蕩頻率、最大輸出功率和相位噪聲等因素。

　　3.2起振時間和頻譜輸出仿真

　　對振蕩器的起振時間進行瞬態(tài)仿真,對振蕩頻率和輸出功率進行頻譜輸出仿真。觀察振蕩器輸出的時域和頻域信號,給出幾組瞬態(tài)輸出曲線和振蕩頻率仿真曲線,如圖4所示。

　　振蕩器的起振時間示于瞬態(tài)仿真圖中,分3組曲線給出。圖4(a)中標(biāo)記m1和m2所在的曲線給出了振蕩器第1種狀態(tài),標(biāo)記m1和m2的瞬態(tài)電壓輸出均為381.6 mV;圖4(b)中標(biāo)記m4和m5所在的曲線給出了振蕩器第2種狀態(tài),標(biāo)記m4和m5的瞬態(tài)電壓輸出均為368.2 mV;圖4(c)中標(biāo)記m7和m8所在的曲線給出了振蕩器第3種狀態(tài),標(biāo)記m7和m8的瞬態(tài)電壓輸出均為354.3 mV。由圖可以看出,3種狀態(tài)振蕩器均已起振,振蕩器在第1種狀態(tài)時起振的時間最短,在第3種狀態(tài)時起振的時間最長。

　　振蕩器的振蕩頻率和輸出功率示于頻譜輸出圖中,分3組曲線給出。圖4(a)中標(biāo)記m3所在的曲線給出了振蕩器第1種狀態(tài),圖4(b)中標(biāo)記m6所在的曲線給出了振蕩器第2種狀態(tài),圖4(c)中標(biāo)記m9所在的曲線給出了振蕩器第3種狀態(tài)。由圖可以看出,標(biāo)記m3、m6和m9的振蕩頻率均為2.250 GHz,表明振蕩頻率相同時,振蕩器在第一種狀態(tài)時輸出功率最大,在第3種狀態(tài)時起輸出功率最小。

　　對圖4的瞬態(tài)仿真圖和頻譜輸出圖進行綜合分析后可以看出,振蕩器在第1種狀態(tài)時起振的時間最短,輸出功率最大;在第3種狀態(tài)時起振的時間最長,輸出功率最小。

　　本文提出采用晶體管與無源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計射頻振蕩器,與壓控振蕩器(VCO)相比具有有源器件少、功耗低、復(fù)雜度低的優(yōu)點。基于復(fù)平面圓圖設(shè)計RFID射頻振蕩器,提出了射頻振蕩器的電路結(jié)構(gòu),給出了射頻振蕩器在復(fù)平面上的圖解方法。仿真結(jié)果表明,晶體管配以正反饋可增加不穩(wěn)定性,調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò)決定振蕩頻率并確保振蕩產(chǎn)生,在晶體管反射系數(shù)較大時振蕩器開始起振,起振時間越短功率輸出越大。本文提出的射頻振蕩器是非常實際的問題,可為RFID及其他射頻振蕩器的設(shè)計提供參考。