黃玉蘭

（西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710121）

射頻識(shí)別（RFID）是物聯(lián)網(wǎng)感知環(huán)節(jié)識(shí)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(guó)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(gè)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(gè)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(shí)采用晶體管和二極管兩個(gè)有源器件，很難滿足RFID對(duì)低復(fù)雜度的要求，需要針對(duì)RFID研究新的振蕩器設(shè)計(jì)方法。

本文提出了一種新的RFID產(chǎn)生振蕩的設(shè)計(jì)方法，采用晶體管和無(wú)源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(duì)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(kāi)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(zhuǎn)換為射頻功率[6]。振蕩器的核心是一個(gè)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(jí)時(shí)，電壓和電流的波動(dòng)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。

圖1 射頻振蕩器的工作原理圖

射頻振蕩器產(chǎn)生振蕩需要滿足如下3個(gè)條件[10-11]：

2 射頻振蕩器的設(shè)計(jì)方案

射頻振蕩器的設(shè)計(jì)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(huà)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(wú)源負(fù)載阻抗。若使振蕩器產(chǎn)生振蕩，需要滿足如下條件：

振蕩器在起振時(shí)，僅有式（2）是不夠的，還要求整個(gè)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：

其中，式（3）保證電路起振，式（4）保證電路諧振。

2.2 設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)方法分如下幾個(gè)步驟：

（1）計(jì)算穩(wěn)定性因子k。若 k＞1，則配以正反饋來(lái)增加其不穩(wěn)定性。

（2）在復(fù)平面上畫(huà)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(wú)窮多個(gè)可取值，若起振時(shí)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)。

3 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(jì)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(gè)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 50 Ω。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(shí)間和頻譜輸出仿真

對(duì)振蕩器的起振時(shí)間進(jìn)行瞬態(tài)仿真，對(duì)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(shí)域和頻域信號(hào)，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(shí)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(shí)起振的時(shí)間最短，在第3種狀態(tài)時(shí)起振的時(shí)間最長(zhǎng)。

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(shí)，振蕩器在第一種狀態(tài)時(shí)輸出功率最大，在第3種狀態(tài)時(shí)起輸出功率最小。

對(duì)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(shí)起振的時(shí)間最短，輸出功率最大；在第3種狀態(tài)時(shí)起振的時(shí)間最長(zhǎng)，輸出功率最小。

本文提出采用晶體管與無(wú)源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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)?；趶?fù)平面圓圖設(shè)計(jì)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(shí)振蕩器開(kāi)始起振，起振時(shí)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(wèn)題，可為RFID及其他射頻振蕩器的設(shè)計(jì)提供參考。

[1]WELBOURNE E，BATTLE L，COLE G.Building the Internet of Things using RFID[J].IEEE Internet Computing，2009，13(3)：48-55.

[2]GINER P，CETINA C，F(xiàn)ONS J，et al.Developing mobile business processes for the Internet of Things[J].IEEE Pervasive Computing，2010，9(2)：18-26.

[3]吳華森，鞠曉杰，張有光，等.ISO/IEC 18000-RFID空中接口協(xié)議分析[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2010，11(3)：27-30.

[4]武岳山.淺談 RFID空中接口標(biāo)準(zhǔn) ISO 18000系列的總綱一ISO 18000-1的地位與作用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006，32(11)：3-6.

[5]韓斌，吳建輝.2.5 GHz低相位噪聲LC壓控振蕩器[J].微電子學(xué)，2008，38（3）：424-427.

[6]嚴(yán)剛峰，黃顯核.不同類型噪聲作用下振蕩器的相位噪聲分析[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2009，26（2）：12-15.

[7]黃玉蘭.一種新的ISM頻段低噪聲放大器設(shè)計(jì)方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010，36（3）：59-63.

[8]GREEN D B，OBAIDAT A S.An accurate line of sight propagation model for ad-hoc 802.11 wireless LAN devices[C].IEEE International Conference on Communications，2002，5：3424-3428.

[9]ROTELLA F M，MA G，YU Z.Modeling，analysis，and design of RF LDMOS devices using harmonicbalance device simulation[J].IEEE Transactions，2000，48(6)：991-999.

[10]黃玉蘭.物聯(lián)網(wǎng)-射頻識(shí)別（RFID）核心技術(shù)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[11]黃玉蘭.射頻電路理論與設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社,2008.