一種新的RFID 射頻前端振蕩器的設計方法

黃玉蘭

(西安郵電大學 電子工程學院, 西安710121)

1 引 言

目前,射頻識別(RFID)已經成為物聯網感知環節非常重要又很活躍的研究方向[1-2],隨著物聯網被世界各國作為戰略性新興產業加以培育和發展,振蕩器作為RFID 射頻前端的關鍵技術,是值得深入研究的課題。振蕩器是射頻前端的關鍵模塊,而低功耗和小體積是RFID 的兩個重要性能指標[3-4],在低復雜度的前提下產生本振源是對RFID 射頻前端的基本要求。現在射頻振蕩器主要采用壓控振蕩器(VCO)[5-6],VCO 需要同時采用晶體管和二極管,VCO 結構的優化比較困難,需要針對RFID 探求新的振蕩器設計方法。

本文采用晶體管和無源網絡設計振蕩器。晶體管的穩定性對振蕩器的設計有影響,首先配以正反饋來增加其不穩定性,使反射系數有最佳選取的保障;然后,在復平面上提出穩定性邊界的確定方法,通過作圖分析和函數分析綜合分配性能指標;最后,給出調諧網絡和終端網絡的反射系數ΓS和ΓT,從而提出RFID 振蕩器的設計方法。本文給出了提高晶體管不穩定性的方法,分析了振蕩器的振蕩條件,提出了反射系數的選取區域,實現了RFID 低復雜度的振蕩電路,并給出了仿真曲線和仿真結果分析。

2 射頻振蕩器的工作原理

振蕩器是射頻系統最基本的部件之一,可以將直流功率轉化成射頻功率,在特定的頻率點建立起穩定的正弦振蕩,成為所需的射頻信號源。當工作頻率達到吉赫時,電壓和電流將呈現出波動特性,需要采用傳輸線理論描述電路的特性[7-9],這時振蕩器的有源器件與無源網絡相配合,將產生基于反射系數Γ和散射參量S 的射頻振蕩。

振蕩器具有負阻效應,利用三端口負阻器件可以設計雙端口振蕩器,雙端口振蕩器由晶體管、調諧網絡和終端網絡3 部分組成[4,10],如圖1 所示。調諧網絡和終端網絡的反射系數為ΓS和ΓT,晶體管輸入和輸出端的反射系數為Γin和Γout,射頻振蕩首先需要存在不穩定的有源器件,這時晶體管的反射系數為

振蕩器的調諧網絡和終端網絡是由無源網絡構成,有ΓS<1、ΓT<1,所以要求Γin>1、Γout>1。在振蕩器的情形,晶體管穩定性因子k <1,具有高度不穩定性, 振蕩器在起振時Rin(I, ω)+RS<0,Xin(I0, ω0)+XS(ω0)=0。振蕩器調諧網絡決定振蕩頻率,終端網絡將負載轉換為振蕩器所需的負載以確保振蕩產生,使振蕩器穩定振蕩在頻率ω0。

圖1 振蕩器的框圖Fig.1 Block diagram of oscillator

3 射頻振蕩器的設計方法

3.1 問題描述

雙端口射頻振蕩器產生振蕩,需要同時滿足如下3 個條件。

條件1:存在不穩定的有源器件,即

條件2:振蕩器左端滿足振蕩條件,即

條件3:振蕩器右端滿足振蕩條件,即

振蕩器由工作于不穩定區域的晶體管二端口網絡組成,選擇晶體管終端的阻抗數值,在不穩定區域驅動晶體管,就可以建立負阻網絡。實際上,由于

如果輸入或輸出端口中的任何一個端口符合振蕩條件,則電路的兩個端口都將產生振蕩。

3.2 設計方法

利用史密斯圓圖進行設計。選擇在期望振蕩頻率處潛在不穩定的晶體管,在史密斯圓圖的復平面上給出穩定判別圓,穩定性邊界曲線的位置決定各反射系數的選取,如圖2 所示。=rS, ΓS、ΓT和S參量對穩定性有影響。輸入穩定判別圓只是穩定性的邊界,不穩定區域可能是圓內,也可能是圓外。在ΓS的復平面上, ΓS

圖2 史密斯圓圖上的穩定性邊界Fig.2 The stability boundary on Smith chart

輸入穩定判別圓為 ΓS-CS<1 的取值在史密斯圓圖單位圓內, Γout>1 的邊界是輸入穩定判別圓,史密斯圓圖單位圓 ΓS=1 及輸入穩定判別圓二者共同決定ΓS 的不穩定區域。絕對穩定是穩定的一個特例, 在整個史密斯圓圖內都處于穩定狀態, 若S11>1 或 S22>1,不能絕對穩定。本文提出一種設計方法,能夠滿足振蕩條件,步驟如下。

(1)判別晶體管的穩定性。用解析法判定其穩定性,首先計算穩定性因子k ,若k <1 則存在不穩定性;否則,配以正反饋來增加其不穩定性。

(2)在ΓT 復平面上畫出輸出穩定判別圓,然后在不穩定區域中選擇一個合適的反射系數ΓT,使其在晶體管的輸入端產生一個大的負阻,滿足 Γin>1(一般 Γin在5 ～10 之間),由選定的反射系數值ΓT 確定終端網絡。

(3)此時可視為單端口振蕩器,需要選擇調諧網絡的阻抗ZS,ZS=RS+j XS。振蕩器起振的條件為Rin+RS<0,實際中應選RS= Rin大于3,常選 Γin/3, ZS的虛部選為XS=-Xin。

(4)由阻抗Z S 確定調諧網絡。如果輸入或輸出端口中的任何一個端口振蕩,電路將產生振蕩。

(5)非穩定區域有無窮多個點,所以ΓT 有無窮多個可取值,應選ΓT 使得 Γin為大值。在晶體管穩定性改變時,重復步驟(2)、(3)、(4),確定終端網絡和調諧網絡,以滿足技術指標。

4 振蕩器仿真結果

本文設計一個晶體管振蕩器,晶體管采用惠普公司的hp-AT41411。

4.1 振蕩電路

目前,射頻振蕩器主要采用VCO 結構, 由于VCO 同時選用晶體管和二極管,從而增加了振蕩器的復雜性。RFID 射頻振蕩器強調結構簡潔,在本設計中振蕩電路只采用晶體管和LC 網絡,降低了RFID 振蕩器的復雜度。本設計的系統特性阻抗為50 Ψ,振蕩器的振蕩頻率為2.25 GHz,采用共基極的組態構成振蕩器,為增強hp-AT41411 的不穩定性,在晶體管的基極串聯了一個2 nH的電感。偏置網絡為Vce=8 V、Ic=10 mA,用電阻R1和R2實現。晶體管需要添加調諧網絡和終端網絡,來確定起振時間、振蕩頻率、最大功率輸出、相位噪聲、不穩態工作點選擇等因素,調諧網絡和終端網絡采用LC 結構的無源網絡。振蕩電路如圖3 所示。

圖3 振蕩電路Fig.3 Oscillation circuit

4.2 振蕩器瞬態輸出和頻譜輸出仿真

對振蕩器進行仿真,觀察振蕩器輸出的時域和頻域信號。瞬態輸出仿真起始時間為0.0 ns,終止時間為300 ns,振蕩器瞬態輸出曲線示于圖4,標記m1 插入到時間226.9 ns 處, 標記m2 插入到時間275.8 ns處,標記m1 和標記m2 處的瞬態電壓輸出均為382.5 mV,表明振蕩器已經起振。文獻[11]采用自動增益控制環路設計振蕩器,是一種快速起振的振蕩器,與文獻[11] 相比,本設計結構簡單、起振的速度快。觀察標記m1 和標記m2 之間的頻譜,選擇矩形圖顯示方式,振蕩器頻譜輸出曲線示于圖5,在頻譜輸出圖的幅度最大處插入一個標記m3,m3的頻率為2.25 GHz,達到了振蕩器設計的振蕩頻率。

圖4 振蕩器瞬態輸出Fig.4 Oscillator transient output

圖5 振蕩器頻譜輸出Fig.5 Oscillator frequency spectrum output

4.3 振蕩器的噪聲仿真

振蕩器存在的主要噪聲源有調諧網絡和終端網絡損耗電阻的熱噪聲,晶體管基極與集電極電流的散粒噪聲,以及電感的寄生電阻熱噪聲等。圖6 和圖7 為振蕩器的調幅和調頻噪聲,調幅噪聲疊加在輸出信號的幅值上,調頻噪聲疊加在輸出信號的頻率上。文獻[6] 分析了不同類型噪聲作用下振蕩器的相位噪聲,振蕩器有多個噪聲源,本設計通過調整調諧網絡和終端網絡,降低了調諧網絡和終端網絡的損耗電阻,隨著頻率偏離振蕩器的中心頻率,噪聲逐步降低,實現了較低且相對穩定的相位噪聲。

圖6 振蕩器的調幅噪聲Fig.6 Oscillator amp litude noise

圖7 振蕩器的調頻噪聲Fig.7 Oscillator frequency noise

5 結 論

RFID 射頻前端振蕩器的設計問題是非常實際

的問題。本文提出的設計方法采用單晶體管和無源網絡,與VCO 相比可以優化振蕩器的結構,使瞬態輸出和頻譜輸出穩定,振蕩器起振的速度快,同時保持振蕩器的噪聲在合理的范圍內。仿真表明,晶體管通過正反饋可以增加不穩定性,在晶體管潛在的不穩定區有多種反射系數的選取方法,在復平面上同時考慮穩定判別圓與史密斯圓圖,通過作圖分析和函數分析能夠確定穩定性邊界,可以優化反射系數,使射頻振蕩器結構簡單、起振迅速,本文的研究結果對降低RFID 射頻振蕩器的復雜度、提高綜合性能有指導作用。本文重點討論了RFID 射頻振蕩器的結構優化和快速起振問題,對相位噪聲主要討論了調諧網絡和終端網絡損耗電阻帶來的噪聲,如果將振蕩器的結構與構成相位噪聲的各項參數結合起來研究,將更具有實際意義,這將是下一步的研究工作。

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