不穩(wěn)定因子對振蕩器性能影響分析

王簫揚(yáng) 張富春 王敏敏 張雄 韋強(qiáng)

摘 要：針對射頻識別系統(tǒng)對電路低功耗、體積小的要求，為降低振蕩器的復(fù)雜度，文章對有源器件的穩(wěn)定性做了深入研究，對終端網(wǎng)絡(luò)反射系數(shù)進(jìn)行分析。提出了一種新的低復(fù)雜度振蕩器設(shè)計方法：通過改變不穩(wěn)定因子來改變振蕩器的性能。

關(guān)鍵詞：振蕩器；相位噪聲；不穩(wěn)定因子

國外UHF RFID發(fā)展迅速，例如Alien公司的Higgs3和Impinj公司的Monxa2。這兩款射頻識別芯片均支持EPC GEN2標(biāo)準(zhǔn)，分別工作于頻段902.75～927.25 MHz和860～960 MHz。最近幾年，伴隨著射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)的發(fā)展，振蕩器的研究設(shè)計制造不斷受到重視，使用在發(fā)射電路的振蕩器也在不斷成熟，寬帶振蕩器技術(shù)不斷更新。盡管產(chǎn)品已經(jīng)不斷多元化，但目前全頻段的振蕩器設(shè)計仍有待發(fā)展，RFID技術(shù)專利主要還是集中在外國，特別是美國、歐洲等國家[1]。目前伴隨著我國電子通信事業(yè)的不斷發(fā)展及對振蕩器的需求，亟待研究出既滿足我國射頻標(biāo)準(zhǔn)，又兼顧各國標(biāo)準(zhǔn)的全頻段振蕩器產(chǎn)品[2-3]。

在射頻識別系統(tǒng)中，振蕩器的研究還有待提高，因為研究人員需要綜合考慮相互矛盾的工作頻段及電路低復(fù)雜度的兩個首要問題。因此，本文通過終端網(wǎng)絡(luò)反射系數(shù)與阻抗對負(fù)載網(wǎng)絡(luò)及終端匹配網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)、相位噪聲等性能參數(shù)的影響來為實現(xiàn)設(shè)計射頻振蕩器提出新思路。

1 振蕩器基本原理

振蕩器是一種常見的信號源生成器，在射頻系統(tǒng)中占有重要地位，其工作原理就是把直流功率轉(zhuǎn)化成為射頻系統(tǒng)中所需要的射頻功率， 并在中心頻率處產(chǎn)生振蕩信號。當(dāng)電路工作在射頻頻段時，電壓電流特性不再符合傳統(tǒng)低頻電路的特性，它將隨頻率的變化而變化，這時需要跳出低頻電路理論的基礎(chǔ)，跳變到射頻傳輸線電路中，使用傳輸線理論來進(jìn)行電路設(shè)計[4-7]。

2 終端網(wǎng)絡(luò)反射系數(shù)分析

2.1 終端網(wǎng)絡(luò)反射系數(shù)幅值影響

在Smith圓圖上，當(dāng)相位確定后，也就意味著在無數(shù)個等反射系數(shù)圓上有著相同的相角，因此，終端網(wǎng)絡(luò)反射系數(shù)GT的取值應(yīng)該在一條直線上。在Smith圓圖中，GT的取值位置離圓心越遠(yuǎn)，等反射系數(shù)圓的半徑越大，即GT幅值越大。本文中取相角為20°畫出等相位線，沿等相位線選3個樣點值，其終端網(wǎng)絡(luò)反射系數(shù)分別為ΓT1=0.5∠20，ΓT2=0.6∠20，ΓT3=0.7∠20，如圖1所示。

當(dāng)終端網(wǎng)絡(luò)反射系數(shù)分別取ΓT1，ΓT2，ΓT3時，輸入反射系數(shù)ΓIN分別為1.44∠160.08，1.61∠158.63，1.98∠156.46，可見，終端網(wǎng)絡(luò)反射系數(shù)幅值越大，輸入反射系數(shù)越大。

2.2 終端網(wǎng)絡(luò)反射系數(shù)相位影響

本文研究GT在等反射圓上取不同相位對輸入反射系數(shù)ΓIN及振蕩器的影響時，取終端網(wǎng)絡(luò)反射系數(shù)幅值|GT|=0.6。若令終端網(wǎng)絡(luò)反射系數(shù)為ΓT=0.6∠θ：

在Smith圓圖上畫出反射系數(shù)模值|GT|=0.6的等反射系數(shù)圓，在等反射系數(shù)圓上標(biāo)出6個樣點值，如圖2所示。其中6個樣點值的反射系數(shù)分別為ΓT1=0.6∠10，ΓT2=0.6∠20，ΓT3=0.6∠30，ΓT4=0.6∠40，ΓT5=0.6∠50和ΓT6=0.6∠60。

利用選取的6個樣點值ΓT1～ΓT6設(shè)計晶體管振蕩器并仿真得到結(jié)果，如圖3所示。

圖3描繪了振蕩器的振蕩頻率與輸出功率變化曲線，其中振蕩頻率依次為1.656 GHz，1.55 GHz，1.49 GHz，1.553 GHz，1.612 GHz，1.73 GHz，頻率先減小后增大，頻率變化范圍是1.49～1.73 GHz（240 MHz），頻率變化度達(dá)到15%，在θ=30°時，振蕩頻率最低。輸出功率依次為12.14 dBm，12.152 dBm，9.247 dBm，11.919 dBm，11.918 dBm，9.918 dBm，輸出功率變化呈現(xiàn)隨機(jī)性，在q=20°時取得最大值12.152 dBm。

經(jīng)過研究GT的相位對輸入反射系數(shù)ΓIN及振蕩器性能的影響，發(fā)現(xiàn)在S22與GT的相位差最小時可以得到最佳的GIN、最大輸出功率和最小的相位噪聲。

3 結(jié)語

本文考慮到射頻識別系統(tǒng)中電路低功耗、體積小的要求，重點解決電路的低復(fù)雜度問題，重點研究了終端網(wǎng)絡(luò)反射系數(shù)與阻抗對負(fù)載網(wǎng)絡(luò)及終端匹配網(wǎng)絡(luò)的振蕩頻率、輸出功率和相位噪聲等性能參數(shù)的影響。經(jīng)過研究GT的相位對輸入反射系數(shù)GIN及振蕩器性能的影響，發(fā)現(xiàn)在S22與GT的相位差最小時可以得到最佳的GIN、最大輸出功率和最小的相位噪聲。

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