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RFID系统驱动级功率放大器的设计与实现

0 引言
随着860~ 960 MHz (UHF)频段远距离射频识别( RFID)技术的快速发展，UHF频段读卡器在高速公路自动收费、停车场管理等领域得到广泛的应用。远距离射频识别技术的一个最大的优势就是读卡距离远。此处的卡为无源卡，需要接收读卡器的发射功率作为能量，获得能量才能正常的工作从而把卡号发给读卡器。所以说在无线电管理委员会规定的最大发射功率的条件下，读卡器的发射功率越大，读卡的距离就越远。然而决定读卡器发射功率大小的一个直接因素就是发射部分功率放大器的功率增益大小。驱动级功放位于发射电路混频器和末级功放之间。因为发射混频器的输出功率一般很小，所以驱动级的设计主要是考虑在保持线性的条件下获得尽可能高的增益。如果驱动级的增益不够会导致对末级功率放大器的增益指标要求更加苛刻。一般末级功率放大器在要求高效率的情况下，很难获得所要求的高增益。由以上叙述可以看出作为整个功放系统的驱动级，其好坏直接决定了整个功放系统的性能。如何设计一个高增益的驱动级放大器就成为RFID整个功放系统设计的一个难点。关于高增益功率放大器的设计，不少书籍和文献都有比较详细的阐述，但这些设计要么是基于理论计算和辅助软件进行的，要么是直接进行实际测试的，可见这样的设计周期长，同时设计的成功率还不高。本文演示了采用辅助软件和实际测试相结合来设计功率放大器的方法。用辅助软件对所设计的功放进行理想情况下的验证。用实际测试来检验仿真验证的准确性并对仿真的误差进行校正，从而使实际设计的功放满足设计要求。这种设计方法不但可以大大地缩短功放的设计周期，还能保证所设计功放的成功率。1 设计理论
整个放大器可以看作为一个两端口网络，采用S参数来分析。s参量表达的是功率波，它使我们可以用人射功率波和反射功率波的方式定义网络的输入和输出关系。放大器网络的输入、输出端口的归一化入射功率波用(a1，a2)和归一化反射功率波用(b,，b2)表示。这样放大器网络的各S参量可表示为[3]2 放大器的设计2.1 设计指标
频率范围902—928 MHz；增益27 dB；二次谐波≤- 20 dBc；输入功率-8 dBm；输出功率19 dBm；输入、输出驻波比≤2.0。2.2器件的选择
驱动级的设计主要考虑放大器功率增益，本设计采用了两级放大，器件为WJ公司生产的内部包含了两级放大器的集成器件AH103A。两级放大在器件内部没有级间匹配，需在外部设计级间匹配。该集成器件工作频段在60~2 700 MHz，1 dB压缩点的输出功率可达27 dBm，在工作频率为900 MHz时增益高达29 dB。由上述特性，可以看出该器件能很好地满足设计要求。2.3直流工作点的确定
在器件的技术参数中，半导体厂家通常会给出放大器的直流工作电压和电流。本设计采用技术参数给定的第一级放大器(Vds=4.5 V，，．1=75 mA)，第二级放大器(Vd。=9V，，d=200 mA)直流工作点来设计直流偏置电路。2.4直流偏置电路的设计
良好的直流偏置设计目标是选择适当的静态工作点，并在晶体管参数和温度变化的范围内，保持静态工作点的恒定。本功放采取先对直流供电并联不同值的滤波电容用以滤除供电电压中不同频率的纹波，再通过射频扼流圈把直流电压馈入放大器。射频扼流圈对直流相当于短路，对射频信号相当于开路防止射频信号泄露[5]。实际中一般用电感来代替射频扼流圈能够起到相同的作用。25匹配网络的设计
匹配网络设计的好坏对成功地设计整个放大器来说起着决定性的作用。匹配参数变差往往会导致放大器的增益下降和输入、输出端的驻波比变差。驱动级功率放大器属于A类功率放大器。A类功率放大器往往采用小信号放大器的设计方法，根据器件的．s参数来设计。本文就是根据数据手册提供的器件的s参数，按照小信号放大器的设计方法来设计输入、输出匹配网络的。
整个集成放大器的源阻抗和负载阻抗均按50Q阻抗来设计。首先，设计第一级放大器的输入匹配，也就是整个放大器的输入匹配。根据器件数据手册给定的，工作频率为1 000 MHz时第一级放大器的Sll-- 0.95 dBZ - 73.89参数，采用集总参数匹配中的L型匹配网络利用Smith圆图把Sl,匹配到圆图的中心。L型匹配网络中的串联电容放在靠近信号源的那一端，既起到隔直的作用，又起到匹配的作用。其次，设计第一级放大器与第二[来自www.lW5u.Com]级放大器的级间匹配。根据器件数据手册给定的，工作频率为1 000 MHz第一级放大器的S22=- 20.14 dB- 30.37和第二级放大器Sll=- 10.87 dB- 146. 69，采用集总参数匹配中的T型匹配网络利用Smith圆图把第一级放大器的S22匹配到第二级放大器的Sll。T型匹配网络中的串联电容直接放在第一级放大器的输出端，既起到隔直的作用，又起到匹配的作用。最后，设计第二级放大器的输出匹配，也就是整个放大器的输出匹配。根据器件数据手册给定的，在l 000 MHz时第二级放大器522= - 14.38 dB- 37.86参数。可以看出输出阻抗已经很接近50 ，仅用一个串联电容就可以把522匹配到50 ，该电容既起到匹配的作用又起到隔直的作用。整个集成放大器的匹配网络都是根据器件数据手册提供的工作频率在1 000 MHz时的数来设计的，而放大器的实际工作频率为915MHz。之后，会通过仿真来优化和消除匹配网络设计所带来的误差。3 仿真优化
选择器件的S参数模型，采用Agilent公司的仿真软件ADS2008对由上述步骤设计完成的整个功率放大器电路进行仿真优化优化目标设为在902—928 MHz频段内，放大器的功率增益即dB (S(2，l》要达到28 dB以上；输入、输出驻波比要在1.5以下。优化目标设定的比设计指标要求苛刻是为了保证实际做出来的功率放大器能满足设计指标要求。仿真优化的最终结果如图l、图2所示。
图l中的ml表示在902—928 MHz整个频段内，放大器增益最小为29.336 dB；图2中的m2和m3分别表示在整个频段内，放大器的输入驻波比最大为1.42，放大器的输出驻波比最大为1.45。仿真结果表明，在工作频段内放大器的增益达到29 dB以上，输入、输出驻波比均在1.5以下。由此可以看出仿真结果完全满足设计指标要求。
根据所画的电路图进行PCB制板。本设计中采用FR-4板材，4层板，第二层和第三层分别为地和电源层，板厚1.7 mm。射频信号走线要遵循50 Q微带线的设计原则。根据微带线到最近地的厚度为0.381 mm、基材的介电常数为4.6、介质损耗为0.025、铺铜厚度为0.035 56 mm等参数，在中心工作频率为915 MHz条件下，利用PCB特性阻抗计算软件计算得到微带线的宽度为0.711 2 mm，微带线距旁边地铜箔的距离为0.762 mm。同时在射频线两侧要尽量多地打上地孔，位置靠近微带线但不超出地铜箔，意在利用多层铜箔通过过孑L并联获得较低阻抗和较短的射频信号电流传输路径。最终完成的PCB版图如图4所示。5 实际测试
电路板加工完成后，进行焊接。在焊接的时候，一定要注意放大器底部的散热片与PCB板的散热片充分接触好。如果散热片没有充分接触好，会导致放大器的结温过高，从而使得放大器不能正常的工作。电路板焊接完成后，接下来需要对放大器进行实际的测试。
首先，采用惠普公司HP8594E测量放大器的二次谐波分量。测试前需给放大器提供5v和9V的直流偏置电压，使放大器正常的工作起来。放大器的输入端输入一个频率为922.375、功率为—8 dBm的已调波信号。由于频谱分析仪最大的输入功率为30 dBm。为了防止频谱仪的损坏，测试时频谱仪的输入端需加一个衰减器，衰减值应保证大于放大器额定输出功率与频谱仪最大输入功率的差值，本设计使用了一个24 dB的衰减器。测试结果如图5所示。
图5为放大器的二次谐波分量测试结果。放大器的输入频率为922.375 MHz，则放大器的二次谐波频率为1 845 MHz。图中标记显示在输入功率为-8 dBm，频谱仪输入端加24 dB衰减的条件下，放大器的二次谐波输[来自wwW.lw5u.Com]出功率为- 28.38 dBm。二次谐波分量为放大器的二次谐波分量输出功率减去基波分量输出功率，由此可得二次谐波分量为- 25 dBc。
其次．采用惠普公司的HP8593C矢量网络分析仪测量放大器的功率增益和输入、输出驻波比。测试结果如图6所示。图6显示在整个工作频段内放大器的功率增益达到28 dB以上，输入驻波比在1.3以下，输出驻波比在1.4以下。
总之，上述测试结果显示，在整个工作频段内放大器的二次谐波分量、功率增益、输入输出驻波比等参数完全达到设计指标要求。6结论
本文清楚、直观地演示了运用仿真优化和实际测试相结合来设计功率放大器的整个过程。仿真和实际的测试结果显示所设计的功率放大器完全满足设计指标要求，这种仿真与实际测试结果的一致性验证了该方法的有效性。实际测试表明，采用这种方法设计的驱动级功率放大器增益高达27 dB，二次谐波分量为- 25 dBc，完全满足设计要求。故这种设计方法对从事功率放大器的设计者来说有着重要的参考价值。

-全文完-