基于復平面圓圖的RFID振蕩器設計方法研究

　　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。

　　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。