一种新的RFID 射频前端振荡器的设计方法

黄玉兰

(西安邮电大学 电子工程学院, 西安710121)

1 引 言

目前,射频识别(RFID)已经成为物联网感知环节非常重要又很活跃的研究方向[1-2],随着物联网被世界各国作为战略性新兴产业加以培育和发展,振荡器作为RFID 射频前端的关键技术,是值得深入研究的课题。振荡器是射频前端的关键模块,而低功耗和小体积是RFID 的两个重要性能指标[3-4],在低复杂度的前提下产生本振源是对RFID 射频前端的基本要求。现在射频振荡器主要采用压控振荡器(VCO)[5-6],VCO 需要同时采用晶体管和二极管,VCO 结构的优化比较困难,需要针对RFID 探求新的振荡器设计方法。

本文采用晶体管和无源网络设计振荡器。晶体管的稳定性对振荡器的设计有影响,首先配以正反馈来增加其不稳定性,使反射系数有最佳选取的保障;然后,在复平面上提出稳定性边界的确定方法,通过作图分析和函数分析综合分配性能指标;最后,给出调谐网络和终端网络的反射系数ΓS和ΓT,从而提出RFID 振荡器的设计方法。本文给出了提高晶体管不稳定性的方法,分析了振荡器的振荡条件,提出了反射系数的选取区域,实现了RFID 低复杂度的振荡电路,并给出了仿真曲线和仿真结果分析。

2 射频振荡器的工作原理

振荡器是射频系统最基本的部件之一,可以将直流功率转化成射频功率,在特定的频率点建立起稳定的正弦振荡,成为所需的射频信号源。当工作频率达到吉赫时,电压和电流将呈现出波动特性,需要采用传输线理论描述电路的特性[7-9],这时振荡器的有源器件与无源网络相配合,将产生基于反射系数Γ和散射参量S 的射频振荡。

振荡器具有负阻效应,利用三端口负阻器件可以设计双端口振荡器,双端口振荡器由晶体管、调谐网络和终端网络3 部分组成[4,10],如图1 所示。调谐网络和终端网络的反射系数为ΓS和ΓT,晶体管输入和输出端的反射系数为Γin和Γout,射频振荡首先需要存在不稳定的有源器件,这时晶体管的反射系数为

振荡器的调谐网络和终端网络是由无源网络构成,有ΓS<1、ΓT<1,所以要求Γin>1、Γout>1。在振荡器的情形,晶体管稳定性因子k <1,具有高度不稳定性, 振荡器在起振时Rin(I, ω)+RS<0,Xin(I0, ω0)+XS(ω0)=0。振荡器调谐网络决定振荡频率,终端网络将负载转换为振荡器所需的负载以确保振荡产生,使振荡器稳定振荡在频率ω0。

图1 振荡器的框图Fig.1 Block diagram of oscillator

3 射频振荡器的设计方法

3.1 问题描述

双端口射频振荡器产生振荡,需要同时满足如下3 个条件。

条件1:存在不稳定的有源器件,即

条件2:振荡器左端满足振荡条件,即

条件3:振荡器右端满足振荡条件,即

振荡器由工作于不稳定区域的晶体管二端口网络组成,选择晶体管终端的阻抗数值,在不稳定区域驱动晶体管,就可以建立负阻网络。实际上,由于

如果输入或输出端口中的任何一个端口符合振荡条件,则电路的两个端口都将产生振荡。

3.2 设计方法

利用史密斯圆图进行设计。选择在期望振荡频率处潜在不稳定的晶体管,在史密斯圆图的复平面上给出稳定判别圆,稳定性边界曲线的位置决定各反射系数的选取,如图2 所示。=rS, ΓS、ΓT和S参量对稳定性有影响。输入稳定判别圆只是稳定性的边界,不稳定区域可能是圆内,也可能是圆外。在ΓS的复平面上, ΓS

图2 史密斯圆图上的稳定性边界Fig.2 The stability boundary on Smith chart

输入稳定判别圆为 ΓS-CS<1 的取值在史密斯圆图单位圆内, Γout>1 的边界是输入稳定判别圆,史密斯圆图单位圆 ΓS=1 及输入稳定判别圆二者共同决定ΓS 的不稳定区域。绝对稳定是稳定的一个特例, 在整个史密斯圆图内都处于稳定状态, 若S11>1 或 S22>1,不能绝对稳定。本文提出一种设计方法,能够满足振荡条件,步骤如下。

(1)判别晶体管的稳定性。用解析法判定其稳定性,首先计算稳定性因子k ,若k <1 则存在不稳定性;否则,配以正反馈来增加其不稳定性。

(2)在ΓT 复平面上画出输出稳定判别圆,然后在不稳定区域中选择一个合适的反射系数ΓT,使其在晶体管的输入端产生一个大的负阻,满足 Γin>1(一般 Γin在5 ～10 之间),由选定的反射系数值ΓT 确定终端网络。

(3)此时可视为单端口振荡器,需要选择调谐网络的阻抗ZS,ZS=RS+j XS。振荡器起振的条件为Rin+RS<0,实际中应选RS= Rin大于3,常选 Γin/3, ZS的虚部选为XS=-Xin。

(4)由阻抗Z S 确定调谐网络。如果输入或输出端口中的任何一个端口振荡,电路将产生振荡。

(5)非稳定区域有无穷多个点,所以ΓT 有无穷多个可取值,应选ΓT 使得 Γin为大值。在晶体管稳定性改变时,重复步骤(2)、(3)、(4),确定终端网络和调谐网络,以满足技术指标。

4 振荡器仿真结果

本文设计一个晶体管振荡器,晶体管采用惠普公司的hp-AT41411。

4.1 振荡电路

目前,射频振荡器主要采用VCO 结构, 由于VCO 同时选用晶体管和二极管,从而增加了振荡器的复杂性。RFID 射频振荡器强调结构简洁,在本设计中振荡电路只采用晶体管和LC 网络,降低了RFID 振荡器的复杂度。本设计的系统特性阻抗为50 Ψ,振荡器的振荡频率为2.25 GHz,采用共基极的组态构成振荡器,为增强hp-AT41411 的不稳定性,在晶体管的基极串联了一个2 nH的电感。偏置网络为Vce=8 V、Ic=10 mA,用电阻R1和R2实现。晶体管需要添加调谐网络和终端网络,来确定起振时间、振荡频率、最大功率输出、相位噪声、不稳态工作点选择等因素,调谐网络和终端网络采用LC 结构的无源网络。振荡电路如图3 所示。

图3 振荡电路Fig.3 Oscillation circuit

4.2 振荡器瞬态输出和频谱输出仿真

对振荡器进行仿真,观察振荡器输出的时域和频域信号。瞬态输出仿真起始时间为0.0 ns,终止时间为300 ns,振荡器瞬态输出曲线示于图4,标记m1 插入到时间226.9 ns 处, 标记m2 插入到时间275.8 ns处,标记m1 和标记m2 处的瞬态电压输出均为382.5 mV,表明振荡器已经起振。文献[11]采用自动增益控制环路设计振荡器,是一种快速起振的振荡器,与文献[11] 相比,本设计结构简单、起振的速度快。观察标记m1 和标记m2 之间的频谱,选择矩形图显示方式,振荡器频谱输出曲线示于图5,在频谱输出图的幅度最大处插入一个标记m3,m3的频率为2.25 GHz,达到了振荡器设计的振荡频率。

图4 振荡器瞬态输出Fig.4 Oscillator transient output

图5 振荡器频谱输出Fig.5 Oscillator frequency spectrum output

4.3 振荡器的噪声仿真

振荡器存在的主要噪声源有调谐网络和终端网络损耗电阻的热噪声,晶体管基极与集电极电流的散粒噪声,以及电感的寄生电阻热噪声等。图6 和图7 为振荡器的调幅和调频噪声,调幅噪声叠加在输出信号的幅值上,调频噪声叠加在输出信号的频率上。文献[6] 分析了不同类型噪声作用下振荡器的相位噪声,振荡器有多个噪声源,本设计通过调整调谐网络和终端网络,降低了调谐网络和终端网络的损耗电阻,随着频率偏离振荡器的中心频率,噪声逐步降低,实现了较低且相对稳定的相位噪声。

图6 振荡器的调幅噪声Fig.6 Oscillator amp litude noise

图7 振荡器的调频噪声Fig.7 Oscillator frequency noise

5 结 论

RFID 射频前端振荡器的设计问题是非常实际

的问题。本文提出的设计方法采用单晶体管和无源网络,与VCO 相比可以优化振荡器的结构,使瞬态输出和频谱输出稳定,振荡器起振的速度快,同时保持振荡器的噪声在合理的范围内。仿真表明,晶体管通过正反馈可以增加不稳定性,在晶体管潜在的不稳定区有多种反射系数的选取方法,在复平面上同时考虑稳定判别圆与史密斯圆图,通过作图分析和函数分析能够确定稳定性边界,可以优化反射系数,使射频振荡器结构简单、起振迅速,本文的研究结果对降低RFID 射频振荡器的复杂度、提高综合性能有指导作用。本文重点讨论了RFID 射频振荡器的结构优化和快速起振问题,对相位噪声主要讨论了调谐网络和终端网络损耗电阻带来的噪声,如果将振荡器的结构与构成相位噪声的各项参数结合起来研究,将更具有实际意义,这将是下一步的研究工作。

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