基于復平面圓圖的RFID振蕩器設計方法研究*

黃玉蘭

（西安郵電大學 電子工程學院，陜西 西安710121）

射頻識別（RFID）是物聯網感知環節識別物體、采集信息的重要手段[1-2]。近年物聯網被世界各國作為戰略性新興產業加以培育和發展，RFID已經成為通信和電子領域的一個關鍵技術，引起了廣泛關注。振蕩器是RFID射頻前端的關鍵模塊，低功耗和小體積是RFID的兩個重要性能指標[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對低復雜度的要求，需要針對RFID研究新的振蕩器設計方法。

本文提出了一種新的RFID產生振蕩的設計方法，采用晶體管和無源網絡設計振蕩器。給出了RFID射頻振蕩器的電路結構，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果進行了分析，為RFID振蕩器改善性能、適應物聯網的需求開辟了一種新的途徑。

1 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正反饋的環路，當工作頻率達到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Γ和S參量的射頻振蕩器。雙端口射頻振蕩器由晶體管、調諧網絡和終端網絡三部分組成。圖1描述了射頻振蕩器的工作原理。

圖1 射頻振蕩器的工作原理圖

射頻振蕩器產生振蕩需要滿足如下3個條件[10-11]：

2 射頻振蕩器的設計方案

射頻振蕩器的設計方案：穩定性因子k和反射系數Γin、ΓS、Γout、ΓT均可以在史密斯圓圖的復平面上畫出，因此本方案提出在不穩定區域中選擇反射系數，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是無源負載阻抗。若使振蕩器產生振蕩，需要滿足如下條件：

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下出現不穩定，即有 Rin(I，ω)+RS＜0。故振蕩器起振的條件為：

其中，式（3）保證電路起振，式（4）保證電路諧振。

2.2 設計方法

設計方法分如下幾個步驟：

（1）計算穩定性因子k。若 k＞1，則配以正反饋來增加其不穩定性。

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

（3）選擇調諧網絡的阻抗 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確定調諧網絡。

（5）在不穩定區域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要求，則重復步驟（2）和（3）以滿足指標要求。

（6）最終確定終端網絡和調諧網絡。

3 仿真結果

3.1 振蕩器電路

振蕩電路如圖3所示。本設計振蕩器的晶體管采用惠普公司的hp_AT41411，為增加其不穩定性配以正反饋，在基極串聯了一個2 nH的電感。振蕩器的振蕩頻率為2.25 GHz，系統的特性阻抗為 50 Ω。在晶體管上添加調諧網絡和終端網絡，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仿真圖中，分3組曲線給出。圖4（a）中標記m1和m2所在的曲線給出了振蕩器第1種狀態，標記m1和m2的瞬態電壓輸出均為381.6 mV；圖 4（b）中標記 m4和 m5所在的曲線給出了振蕩器第2種狀態，標記m4和m5的瞬態電壓輸出均為 368.2 mV；圖 4（c）中標記 m7和 m8所在的曲線給出了振蕩器第3種狀態，標記m7和m8的瞬態電壓輸出均為354.3 mV。由圖可以看出，3種狀態振蕩器均已起振，振蕩器在第1種狀態時起振的時間最短，在第3種狀態時起振的時間最長。

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）中標記m3所在的曲線給出了振蕩器第1種狀態，圖4（b）中標記m6所在的曲線給出了振蕩器第2種狀態，圖4（c）中標記m9所在的曲線給出了振蕩器第3種狀態。由圖可以看出，標記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時輸出功率最大，在第3種狀態時起輸出功率最小。

對圖4的瞬態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種狀態時起振的時間最短，輸出功率最大；在第3種狀態時起振的時間最長，輸出功率最小。

本文提出采用晶體管與無源網絡設計射頻振蕩器，與壓控振蕩器（VCO）相比具有有源器件少、功耗低、復雜度低的優點。基于復平面圓圖設計RFID射頻振蕩器，提出了射頻振蕩器的電路結構，給出了射頻振蕩器在復平面上的圖解方法。仿真結果表明，晶體管配以正反饋可增加不穩定性，調諧網絡和終端網絡決定振蕩頻率并確保振蕩產生，在晶體管反射系數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計提供參考。

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