基于复平面圆图的RFID振荡器设计方法研究

射频识别(RFID)是物联网感知环节识别物体、采集信息的重要手段[1-2]。近年物联网被世界各国作为战略性新兴产业加以培育和发展，RFID已经成为通信和电子领域的一个关键技术，引起了广泛关注。振荡器是RFID射频前端的关键模块，低功耗和小体积是RFID的两个重要性能指标[3-4]。但目前射频振荡器主要采用压控振荡器(VCO)[5]，由于VCO同时采用晶体管和二极管两个有源器件，很难满足RFID对低复杂度的要求，需要针对RFID研究新的振荡器设计方法。

本文提出了一种新的RFID产生振荡的设计方法，采用晶体管和无源网络设计振荡器。给出了RFID射频振荡器的电路结构，提出了提高射频振荡器综合性能的方法，对仿真曲线和仿真结果进行了分析，为RFID振荡器改善性能、适应物联网的需求开辟了一种新的途径。

1 射频振荡器的工作原理

振荡器是一种非线性电路，它将直流功率转换为射频功率[6]。振荡器的核心是一个能够在特定频率上实现正反馈的环路，当工作频率达到GHz量级时，电压和电流的波动特性将不能被忽略[7-9]，需要讨论基于反射系数Γ和S参量的射频振荡器。双端口射频振荡器由晶体管、调谐网络和终端网络三部分组成。图1描述了射频振荡器的工作原理。

3 仿真结果

3.1 振荡器电路

振荡电路如图3所示。本设计振荡器的晶体管采用惠普公司的hp_AT41411，为增加其不稳定性配以正反馈，在基极串联了一个2 nH的电感。振荡器的振荡频率为2.25 GHz，系统的特性阻抗为50 Ω。在晶体管上添加调谐网络和终端网络，以确定振荡频率、最大输出功率和相位噪声等因素。

3.2 起振时间和频谱输出仿真

对振荡器的起振时间进行瞬态仿真，对振荡频率和输出功率进行频谱输出仿真。观察振荡器输出的时域和频域信号，给出几组瞬态输出曲线和振荡频率仿真曲线，如图4所示。

振荡器的起振时间示于瞬态仿真图中，分3组曲线给出。图4(a)中标记m1和m2所在的曲线给出了振荡器第1种状态，标记m1和m2的瞬态电压输出均为381.6 mV;图4(b)中标记m4和m5所在的曲线给出了振荡器第2种状态，标记m4和m5的瞬态电压输出均为368.2 mV;图4(c)中标记m7和m8所在的曲线给出了振荡器第3种状态，标记m7和m8的瞬态电压输出均为354.3 mV。由图可以看出，3种状态振荡器均已起振，振荡器在第1种状态时起振的时间最短，在第3种状态时起振的时间最长。

振荡器的振荡频率和输出功率示于频谱输出图中，分3组曲线给出。图4(a)中标记m3所在的曲线给出了振荡器第1种状态，图4(b)中标记m6所在的曲线给出了振荡器第2种状态，图4(c)中标记m9所在的曲线给出了振荡器第3种状态。由图可以看出，标记m3、m6和m9的振荡频率均为2.250 GHz，表明振荡频率相同时，振荡器在第一种状态时输出功率最大，在第3种状态时起输出功率最小。

对图4的瞬态仿真图和频谱输出图进行综合分析后可以看出，振荡器在第1种状态时起振的时间最短，输出功率最大;在第3种状态时起振的时间最长，输出功率最小。

本文提出采用晶体管与无源网络设计射频振荡器，与压控振荡器(VCO)相比具有有源器件少、功耗低、复杂度低的优点。基于复平面圆图设计RFID射频振荡器，提出了射频振荡器的电路结构，给出了射频振荡器在复平面上的图解方法。仿真结果表明，晶体管配以正反馈可增加不稳定性，调谐网络和终端网络决定振荡频率并确保振荡产生，在晶体管反射系数较大时振荡器开始起振，起振时间越短功率输出越大。本文提出的射频振荡器是非常实际的问题，可为RFID及其他射频振荡器的设计提供参考。