基于复平面圆图的RFID振荡器设计方法研究*

黄玉兰

（西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安710121）

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。

1 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。

图1 射频振荡器的工作原理图

射频振荡器产生振荡需要满足如下3个条件[10-11]：

2 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：

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：

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。

3 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 50 Ω。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。

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