一種新的RFID 射頻前端振蕩器的設(shè)計(jì)方法

黃玉蘭

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院, 西安710121)

1 引 言

目前,射頻識別(RFID)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)感知環(huán)節(jié)非常重要又很活躍的研究方向[1-2],隨著物聯(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,振蕩器作為RFID 射頻前端的關(guān)鍵技術(shù),是值得深入研究的課題。振蕩器是射頻前端的關(guān)鍵模塊,而低功耗和小體積是RFID 的兩個重要性能指標(biāo)[3-4],在低復(fù)雜度的前提下產(chǎn)生本振源是對RFID 射頻前端的基本要求。現(xiàn)在射頻振蕩器主要采用壓控振蕩器(VCO)[5-6],VCO 需要同時采用晶體管和二極管,VCO 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化比較困難,需要針對RFID 探求新的振蕩器設(shè)計(jì)方法。

本文采用晶體管和無源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)振蕩器。晶體管的穩(wěn)定性對振蕩器的設(shè)計(jì)有影響,首先配以正反饋來增加其不穩(wěn)定性,使反射系數(shù)有最佳選取的保障;然后,在復(fù)平面上提出穩(wěn)定性邊界的確定方法,通過作圖分析和函數(shù)分析綜合分配性能指標(biāo);最后,給出調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)ΓS和ΓT,從而提出RFID 振蕩器的設(shè)計(jì)方法。本文給出了提高晶體管不穩(wěn)定性的方法,分析了振蕩器的振蕩條件,提出了反射系數(shù)的選取區(qū)域,實(shí)現(xiàn)了RFID 低復(fù)雜度的振蕩電路,并給出了仿真曲線和仿真結(jié)果分析。

2 射頻振蕩器的工作原理

振蕩器是射頻系統(tǒng)最基本的部件之一,可以將直流功率轉(zhuǎn)化成射頻功率,在特定的頻率點(diǎn)建立起穩(wěn)定的正弦振蕩,成為所需的射頻信號源。當(dāng)工作頻率達(dá)到吉赫時,電壓和電流將呈現(xiàn)出波動特性,需要采用傳輸線理論描述電路的特性[7-9],這時振蕩器的有源器件與無源網(wǎng)絡(luò)相配合,將產(chǎn)生基于反射系數(shù)Γ和散射參量S 的射頻振蕩。

振蕩器具有負(fù)阻效應(yīng),利用三端口負(fù)阻器件可以設(shè)計(jì)雙端口振蕩器,雙端口振蕩器由晶體管、調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò)3 部分組成[4,10],如圖1 所示。調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)為ΓS和ΓT,晶體管輸入和輸出端的反射系數(shù)為Γin和Γout,射頻振蕩首先需要存在不穩(wěn)定的有源器件,這時晶體管的反射系數(shù)為

振蕩器的調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò)是由無源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,有ΓS<1、ΓT<1,所以要求Γin>1、Γout>1。在振蕩器的情形,晶體管穩(wěn)定性因子k <1,具有高度不穩(wěn)定性, 振蕩器在起振時Rin(I, ω)+RS<0,Xin(I0, ω0)+XS(ω0)=0。振蕩器調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)決定振蕩頻率,終端網(wǎng)絡(luò)將負(fù)載轉(zhuǎn)換為振蕩器所需的負(fù)載以確保振蕩產(chǎn)生,使振蕩器穩(wěn)定振蕩在頻率ω0。

圖1 振蕩器的框圖Fig.1 Block diagram of oscillator

3 射頻振蕩器的設(shè)計(jì)方法

3.1 問題描述

雙端口射頻振蕩器產(chǎn)生振蕩,需要同時滿足如下3 個條件。

條件1:存在不穩(wěn)定的有源器件,即

條件2:振蕩器左端滿足振蕩條件,即

條件3:振蕩器右端滿足振蕩條件,即

振蕩器由工作于不穩(wěn)定區(qū)域的晶體管二端口網(wǎng)絡(luò)組成,選擇晶體管終端的阻抗數(shù)值,在不穩(wěn)定區(qū)域驅(qū)動晶體管,就可以建立負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上,由于

如果輸入或輸出端口中的任何一個端口符合振蕩條件,則電路的兩個端口都將產(chǎn)生振蕩。

3.2 設(shè)計(jì)方法

利用史密斯圓圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。選擇在期望振蕩頻率處潛在不穩(wěn)定的晶體管,在史密斯圓圖的復(fù)平面上給出穩(wěn)定判別圓,穩(wěn)定性邊界曲線的位置決定各反射系數(shù)的選取,如圖2 所示。=rS, ΓS、ΓT和S參量對穩(wěn)定性有影響。輸入穩(wěn)定判別圓只是穩(wěn)定性的邊界,不穩(wěn)定區(qū)域可能是圓內(nèi),也可能是圓外。在ΓS的復(fù)平面上, ΓS

圖2 史密斯圓圖上的穩(wěn)定性邊界Fig.2 The stability boundary on Smith chart

輸入穩(wěn)定判別圓為 ΓS-CS<1 的取值在史密斯圓圖單位圓內(nèi), Γout>1 的邊界是輸入穩(wěn)定判別圓,史密斯圓圖單位圓 ΓS=1 及輸入穩(wěn)定判別圓二者共同決定ΓS 的不穩(wěn)定區(qū)域。絕對穩(wěn)定是穩(wěn)定的一個特例, 在整個史密斯圓圖內(nèi)都處于穩(wěn)定狀態(tài), 若S11>1 或 S22>1,不能絕對穩(wěn)定。本文提出一種設(shè)計(jì)方法,能夠滿足振蕩條件,步驟如下。

(1)判別晶體管的穩(wěn)定性。用解析法判定其穩(wěn)定性,首先計(jì)算穩(wěn)定性因子k ,若k <1 則存在不穩(wěn)定性;否則,配以正反饋來增加其不穩(wěn)定性。

(2)在ΓT 復(fù)平面上畫出輸出穩(wěn)定判別圓,然后在不穩(wěn)定區(qū)域中選擇一個合適的反射系數(shù)ΓT,使其在晶體管的輸入端產(chǎn)生一個大的負(fù)阻,滿足 Γin>1(一般 Γin在5 ～10 之間),由選定的反射系數(shù)值ΓT 確定終端網(wǎng)絡(luò)。

(3)此時可視為單端口振蕩器,需要選擇調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的阻抗ZS,ZS=RS+j XS。振蕩器起振的條件為Rin+RS<0,實(shí)際中應(yīng)選RS= Rin大于3,常選 Γin/3, ZS的虛部選為XS=-Xin。

(4)由阻抗Z S 確定調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)。如果輸入或輸出端口中的任何一個端口振蕩,電路將產(chǎn)生振蕩。

(5)非穩(wěn)定區(qū)域有無窮多個點(diǎn),所以ΓT 有無窮多個可取值,應(yīng)選ΓT 使得 Γin為大值。在晶體管穩(wěn)定性改變時,重復(fù)步驟(2)、(3)、(4),確定終端網(wǎng)絡(luò)和調(diào)諧網(wǎng)絡(luò),以滿足技術(shù)指標(biāo)。

4 振蕩器仿真結(jié)果

本文設(shè)計(jì)一個晶體管振蕩器,晶體管采用惠普公司的hp-AT41411。

4.1 振蕩電路

目前,射頻振蕩器主要采用VCO 結(jié)構(gòu), 由于VCO 同時選用晶體管和二極管,從而增加了振蕩器的復(fù)雜性。RFID 射頻振蕩器強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)簡潔,在本設(shè)計(jì)中振蕩電路只采用晶體管和LC 網(wǎng)絡(luò),降低了RFID 振蕩器的復(fù)雜度。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)特性阻抗為50 Ψ,振蕩器的振蕩頻率為2.25 GHz,采用共基極的組態(tài)構(gòu)成振蕩器,為增強(qiáng)hp-AT41411 的不穩(wěn)定性,在晶體管的基極串聯(lián)了一個2 nH的電感。偏置網(wǎng)絡(luò)為Vce=8 V、Ic=10 mA,用電阻R1和R2實(shí)現(xiàn)。晶體管需要添加調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò),來確定起振時間、振蕩頻率、最大功率輸出、相位噪聲、不穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)選擇等因素,調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò)采用LC 結(jié)構(gòu)的無源網(wǎng)絡(luò)。振蕩電路如圖3 所示。

圖3 振蕩電路Fig.3 Oscillation circuit

4.2 振蕩器瞬態(tài)輸出和頻譜輸出仿真

對振蕩器進(jìn)行仿真,觀察振蕩器輸出的時域和頻域信號。瞬態(tài)輸出仿真起始時間為0.0 ns,終止時間為300 ns,振蕩器瞬態(tài)輸出曲線示于圖4,標(biāo)記m1 插入到時間226.9 ns 處, 標(biāo)記m2 插入到時間275.8 ns處,標(biāo)記m1 和標(biāo)記m2 處的瞬態(tài)電壓輸出均為382.5 mV,表明振蕩器已經(jīng)起振。文獻(xiàn)[11]采用自動增益控制環(huán)路設(shè)計(jì)振蕩器,是一種快速起振的振蕩器,與文獻(xiàn)[11] 相比,本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、起振的速度快。觀察標(biāo)記m1 和標(biāo)記m2 之間的頻譜,選擇矩形圖顯示方式,振蕩器頻譜輸出曲線示于圖5,在頻譜輸出圖的幅度最大處插入一個標(biāo)記m3,m3的頻率為2.25 GHz,達(dá)到了振蕩器設(shè)計(jì)的振蕩頻率。

圖4 振蕩器瞬態(tài)輸出Fig.4 Oscillator transient output

圖5 振蕩器頻譜輸出Fig.5 Oscillator frequency spectrum output

4.3 振蕩器的噪聲仿真

振蕩器存在的主要噪聲源有調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò)損耗電阻的熱噪聲,晶體管基極與集電極電流的散粒噪聲,以及電感的寄生電阻熱噪聲等。圖6 和圖7 為振蕩器的調(diào)幅和調(diào)頻噪聲,調(diào)幅噪聲疊加在輸出信號的幅值上,調(diào)頻噪聲疊加在輸出信號的頻率上。文獻(xiàn)[6] 分析了不同類型噪聲作用下振蕩器的相位噪聲,振蕩器有多個噪聲源,本設(shè)計(jì)通過調(diào)整調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò),降低了調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò)的損耗電阻,隨著頻率偏離振蕩器的中心頻率,噪聲逐步降低,實(shí)現(xiàn)了較低且相對穩(wěn)定的相位噪聲。

圖6 振蕩器的調(diào)幅噪聲Fig.6 Oscillator amp litude noise

圖7 振蕩器的調(diào)頻噪聲Fig.7 Oscillator frequency noise

5 結(jié) 論

RFID 射頻前端振蕩器的設(shè)計(jì)問題是非常實(shí)際

的問題。本文提出的設(shè)計(jì)方法采用單晶體管和無源網(wǎng)絡(luò),與VCO 相比可以優(yōu)化振蕩器的結(jié)構(gòu),使瞬態(tài)輸出和頻譜輸出穩(wěn)定,振蕩器起振的速度快,同時保持振蕩器的噪聲在合理的范圍內(nèi)。仿真表明,晶體管通過正反饋可以增加不穩(wěn)定性,在晶體管潛在的不穩(wěn)定區(qū)有多種反射系數(shù)的選取方法,在復(fù)平面上同時考慮穩(wěn)定判別圓與史密斯圓圖,通過作圖分析和函數(shù)分析能夠確定穩(wěn)定性邊界,可以優(yōu)化反射系數(shù),使射頻振蕩器結(jié)構(gòu)簡單、起振迅速,本文的研究結(jié)果對降低RFID 射頻振蕩器的復(fù)雜度、提高綜合性能有指導(dǎo)作用。本文重點(diǎn)討論了RFID 射頻振蕩器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和快速起振問題,對相位噪聲主要討論了調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò)損耗電阻帶來的噪聲,如果將振蕩器的結(jié)構(gòu)與構(gòu)成相位噪聲的各項(xiàng)參數(shù)結(jié)合起來研究,將更具有實(shí)際意義,這將是下一步的研究工作。

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