不穩定因子對振蕩器性能影響分析

王簫揚 張富春 王敏敏 張雄 韋強

摘 要：針對射頻識別系統對電路低功耗、體積小的要求，為降低振蕩器的復雜度，文章對有源器件的穩定性做了深入研究，對終端網絡反射系數進行分析。提出了一種新的低復雜度振蕩器設計方法：通過改變不穩定因子來改變振蕩器的性能。

關鍵詞：振蕩器；相位噪聲；不穩定因子

國外UHF RFID發展迅速，例如Alien公司的Higgs3和Impinj公司的Monxa2。這兩款射頻識別芯片均支持EPC GEN2標準，分別工作于頻段902.75～927.25 MHz和860～960 MHz。最近幾年，伴隨著射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術的發展，振蕩器的研究設計制造不斷受到重視，使用在發射電路的振蕩器也在不斷成熟，寬帶振蕩器技術不斷更新。盡管產品已經不斷多元化，但目前全頻段的振蕩器設計仍有待發展，RFID技術專利主要還是集中在外國，特別是美國、歐洲等國家[1]。目前伴隨著我國電子通信事業的不斷發展及對振蕩器的需求，亟待研究出既滿足我國射頻標準，又兼顧各國標準的全頻段振蕩器產品[2-3]。

在射頻識別系統中，振蕩器的研究還有待提高，因為研究人員需要綜合考慮相互矛盾的工作頻段及電路低復雜度的兩個首要問題。因此，本文通過終端網絡反射系數與阻抗對負載網絡及終端匹配網絡的電路結構、相位噪聲等性能參數的影響來為實現設計射頻振蕩器提出新思路。

1 振蕩器基本原理

振蕩器是一種常見的信號源生成器，在射頻系統中占有重要地位，其工作原理就是把直流功率轉化成為射頻系統中所需要的射頻功率， 并在中心頻率處產生振蕩信號。當電路工作在射頻頻段時，電壓電流特性不再符合傳統低頻電路的特性，它將隨頻率的變化而變化，這時需要跳出低頻電路理論的基礎，跳變到射頻傳輸線電路中，使用傳輸線理論來進行電路設計[4-7]。

2 終端網絡反射系數分析

2.1 終端網絡反射系數幅值影響

在Smith圓圖上，當相位確定后，也就意味著在無數個等反射系數圓上有著相同的相角，因此，終端網絡反射系數GT的取值應該在一條直線上。在Smith圓圖中，GT的取值位置離圓心越遠，等反射系數圓的半徑越大，即GT幅值越大。本文中取相角為20°畫出等相位線，沿等相位線選3個樣點值，其終端網絡反射系數分別為ΓT1=0.5∠20，ΓT2=0.6∠20，ΓT3=0.7∠20，如圖1所示。

當終端網絡反射系數分別取ΓT1，ΓT2，ΓT3時，輸入反射系數ΓIN分別為1.44∠160.08，1.61∠158.63，1.98∠156.46，可見，終端網絡反射系數幅值越大，輸入反射系數越大。

2.2 終端網絡反射系數相位影響

本文研究GT在等反射圓上取不同相位對輸入反射系數ΓIN及振蕩器的影響時，取終端網絡反射系數幅值|GT|=0.6。若令終端網絡反射系數為ΓT=0.6∠θ：

在Smith圓圖上畫出反射系數模值|GT|=0.6的等反射系數圓，在等反射系數圓上標出6個樣點值，如圖2所示。其中6個樣點值的反射系數分別為ΓT1=0.6∠10，ΓT2=0.6∠20，ΓT3=0.6∠30，ΓT4=0.6∠40，ΓT5=0.6∠50和ΓT6=0.6∠60。

利用選取的6個樣點值ΓT1～ΓT6設計晶體管振蕩器并仿真得到結果，如圖3所示。

圖3描繪了振蕩器的振蕩頻率與輸出功率變化曲線，其中振蕩頻率依次為1.656 GHz，1.55 GHz，1.49 GHz，1.553 GHz，1.612 GHz，1.73 GHz，頻率先減小后增大，頻率變化范圍是1.49～1.73 GHz（240 MHz），頻率變化度達到15%，在θ=30°時，振蕩頻率最低。輸出功率依次為12.14 dBm，12.152 dBm，9.247 dBm，11.919 dBm，11.918 dBm，9.918 dBm，輸出功率變化呈現隨機性，在q=20°時取得最大值12.152 dBm。

經過研究GT的相位對輸入反射系數ΓIN及振蕩器性能的影響，發現在S22與GT的相位差最小時可以得到最佳的GIN、最大輸出功率和最小的相位噪聲。

3 結語

本文考慮到射頻識別系統中電路低功耗、體積小的要求，重點解決電路的低復雜度問題，重點研究了終端網絡反射系數與阻抗對負載網絡及終端匹配網絡的振蕩頻率、輸出功率和相位噪聲等性能參數的影響。經過研究GT的相位對輸入反射系數GIN及振蕩器性能的影響，發現在S22與GT的相位差最小時可以得到最佳的GIN、最大輸出功率和最小的相位噪聲。

[參考文獻]

[1]潘杰，楊海鋼，楊立吾.一種寬帶正交振蕩器中子頻帶的精確設計方法[J].固體電子學研究與進展，2010（2）：204-207.

[2]熊俊俏，夏敏.900MHz壓控振蕩器設計[J].電訊技術，2010（6）：66-70.

[3]DENG Z，NIKNEJAD A M.A 4-port-inductor-based VCO coupling method for phase noise reduction[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2011（8）：1772-1781.

[4]黃玉蘭.基于ADS的射頻低噪聲放大器設計與仿真[J].西安郵電大學學報，2010（3）：26-29.

[5]康東，石喜勤，李勇鵬，等.射頻識別（RFID）核心技術與典型應用開發案例[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[6]黃玉蘭.ISM頻段射頻放大的小信號分析[J].電訊技術，2010（3）：59-63.

[7]劉國棟.2.42 GHz寬帶低相噪LC壓控振蕩器的設計[J].電子技術應用，2012（1）：51-53.