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(jìn)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(shí)現(xiàn)正反饋的環(huán)路，當(dāng)工作頻率達(dá)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(jìn)行瞬態(tài)仿真，對振蕩頻率和輸出功率進(jìn)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(jìn)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(diǎn)。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(shí)際的問題，可為RFID及其他射頻振蕩器的設(shè)計提供參考。

責(zé)任編輯：ct