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不稳定因子对振荡器性能影响分析

王箫扬 张富春 王敏敏 张雄 韦强
摘 要：针对射频识别系统对电路低功耗、体积小的要求，为降低振荡器的复杂度，文章对有源器件的稳定性做了深入研究，对终端网络反射系数进行分析。提出了一种新的低复杂度振荡器设计方法：通过改变不稳定因子来改变振荡器的性能。
关键词：振荡器；相位噪声；不稳定因子
国外UHF RFID發展迅速，例如Alien公司的Higgs3和Impinj公司的Monxa2。这两款射频识别芯片均支持EPC GEN2标准，分别工作于频段902.75～927.25 MHz和860～960 MHz。最近几年，伴随着射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术的发展，振荡器的研究设计制造不断受到重视，使用在发射电路的振荡器也在不断成熟，宽带振荡器技术不断更新。尽管产品已经不断多元化，但目前全频段的振荡器设计仍有待发展，RFID技术专利主要还是集中在外国，特别是美国、欧洲等国家[1]。目前伴随着我国电子通信事业的不断发展及对振荡器的需求，亟待研究出既满足我国射频标准，又兼顾各国标准的全频段振荡器产品[2-3]。
在射频识别系统中，振荡器的研究还有待提高，因为研究人员需要综合考虑相互矛盾的工作频段及电路低复杂度的两个首要问题。因此，本文通过终端网络反射系数与阻抗对负载网络及终端匹配网络的电路结构、相位噪声等性能参数的影响来为实现设计射频振荡器提出新思路。
1 振荡器基本原理
振荡器是一种常见的信号源生成器，在射频系统中占有重要地位，其工作原理就是把直流功率转化成为射频系统中所需要的射频功率， 并在中心频率处产生振荡信号。当电路工作在射频频段时，电压电流特性不再符合传统低频电路的特性，它将随频率的变化而变化，这时需要跳出低频电路理论的基础，跳变到射频传输线电路中，使用传输线理论来进行电路设计[4-7]。
2 终端网络反射系数分析
2.1 终端网络反射系数幅值影响
在Smith圆图上，当相位确定后，也就意味着在无数个等反射系数圆上有着相同的相角，因此终端网络反射系数GT的取值应该在一条直线上。在Smith圆图中，GT的取值位置离圆心越远，等反射系数圆的半径越大，即GT幅值越大。本文中取相角为20°画出等相位线，沿等相位线选3个样点值，其终端网络反射系数分别为ΓT1=0.5∠20，ΓT2=0.6∠20，ΓT3=0.7∠20，如图1所示。
当终端网络反射系数分别取ΓT1，ΓT2，ΓT3时，输入反射系数ΓIN分别为1.44∠160.08，1.61∠158.63，1.98∠156.46，可见，终端网络反射系数幅值越大，输入反射系数越大。
2.2 终端网络反射系数相位影响
本文研究GT在等反射圆上取不同相位对输入反射系数ΓIN及振荡器的影响时，取终端网络反射系数幅值|GT|=0.6。若令终端网络反射系数为ΓT=0.6∠θ：
在Smith圆图上画出反射系数模值|GT|=0.6的等反射系数圆，在等反射系数圆上标出6个样点值，如图2所示。其中6个样点值的反射系数分别为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。
利用选取的6个样点值ΓT1～ΓT6设计晶体管振荡器并仿真得到结果，如图3所示。
图3描绘了振荡器的振荡频率与输出功率变化曲线，其中振荡频率依次为1.656 GHz，1.55 GHz，1.49 GHz，1.553 GHz，1.612 GHz，1.73 GHz，频率先减小后增大，频率变化范围是1.49～1.73 GHz（240 MHz），频率变化度达到15%，在θ=30°时，振荡频率最低。输出功率依次为12.14 dBm，12.152 dBm，9.247 dBm，11.919 dBm，11.918 dBm，9.918 dBm，输出功率变化呈现随机性，在q=20°时取得最大值12.152 dBm。
经过研究GT的相位对输入反射系数ΓIN及振荡器性能的影响，发现在S22与GT的相位差最小时可以得到最佳的GIN、最大输出功率和最小的相位噪声。
3 结语
本文考虑到射频识别系统中电路低功耗、体积小的要求，重点解决电路的低复杂度问题，重点研究了终端网络反射系数与阻抗对负载网络及终端匹配网络的振荡频率、输出功率和相位噪声等性能参数的影响。经过研究GT的相位对输入反射系数GIN及振荡器性能的影响，发现在S22与GT的相位差最小时可以得到最佳的GIN、最大输出功率和最小的相位噪声。
[参考文献]
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无线互联科技2018年4期
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