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1、驅(qū)動(dòng)級(jí)功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 摘 要:設(shè)計(jì)了一個(gè)工作頻段在902 MHz928 MHz,輸出功率為19 dBm、功率增益高達(dá)27 dBm、應(yīng)用于射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)級(jí)功率放大器。為縮短功率放大器的研發(fā)周期并提高 其開發(fā)的成功率,設(shè)計(jì)運(yùn)用了仿真優(yōu)化和實(shí)際測(cè)試相結(jié)合的方法。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的高 度一致性驗(yàn)證了這種方法的有效性。關(guān)鍵詞:射頻識(shí)別;功率放大器;仿真優(yōu)化;驅(qū)動(dòng)級(jí)隨著860 MHz960 MHz(UHF)頻段遠(yuǎn)距離射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)的快速發(fā)展,UHF頻段讀卡 器在高速公路自動(dòng)收費(fèi)、停車場(chǎng)管理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。遠(yuǎn)距離射頻識(shí)別技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì) 就是讀卡距離遠(yuǎn)。此處的卡為無源卡
2、,需要接收讀卡器的發(fā)射功率作為能量才能正常工作, 從而把卡號(hào)發(fā)給讀卡器。所以在無線電管理委員會(huì)規(guī)定的最大發(fā)射功率的條件下,讀卡器的 發(fā)射功率越大,讀卡的距離就越遠(yuǎn)。然而決定讀卡器發(fā)射功率大小的一個(gè)直接因素就是發(fā)射 部分功率放大器的放大能力。驅(qū)動(dòng)級(jí)功放位于發(fā)射電路混頻器和末級(jí)功放之間。因?yàn)榘l(fā)射混 頻器的輸出功率一般很小,所以驅(qū)動(dòng)級(jí)的設(shè)計(jì)主要考慮在保持線性的條件下獲得盡可能高的 增益。如果驅(qū)動(dòng)級(jí)的增益不夠會(huì)導(dǎo)致對(duì)末級(jí)功率放大器的增益指標(biāo)要求更加苛刻。一般末級(jí) 功率放大器在要求高效率的情況下,很難獲得較高的增益1。所以,驅(qū)動(dòng)級(jí)設(shè)計(jì)的好壞直接 決定了整個(gè)功放系統(tǒng)的性能2。如何設(shè)計(jì)一個(gè)高增益的驅(qū)動(dòng)級(jí)放大
3、器就成為RFID整個(gè)功放 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。關(guān)于高增益功率放大器的設(shè)計(jì),不少文獻(xiàn)都有比較詳細(xì)的闡述,但這 些設(shè)計(jì)是基于理論計(jì)算和輔助軟件進(jìn)行的,或者是直接進(jìn)行實(shí)際測(cè)試的,很少有把輔助軟件 和實(shí)際測(cè)試相結(jié)合的,可見這樣的設(shè)計(jì)周期長,同時(shí)設(shè)計(jì)的成功率也不高。本文介紹了采用 輔助軟件和實(shí)際測(cè)試相結(jié)合來設(shè)計(jì)功率放大器的方法。用輔助軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的功放進(jìn)行理想 情況下的驗(yàn)證。用實(shí)際測(cè)試來檢驗(yàn)仿真驗(yàn)證的準(zhǔn)確性并對(duì)仿真的誤差進(jìn)行校正,從而使實(shí)際 設(shè)計(jì)的功放滿足設(shè)計(jì)要求3。這種設(shè)計(jì)方法不但可以大大縮短功放的設(shè)計(jì)周期,還能保證所 設(shè)計(jì)功放的成功率。1放大器的設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)指標(biāo)頻率范圍:902 MHz928 MH
4、z;增益27 dB;二次諧波-20 dBc;輸入功率-8 dBm;輸出功率19 dBm;輸入、輸出駐波比2.0。 1.2器件的選擇驅(qū)動(dòng)級(jí)的設(shè)計(jì)主要考慮放大器增益,本設(shè)計(jì)選擇了 TriQuint公司設(shè)計(jì)應(yīng)用于RFID的兩階放大器AH103A。該晶體管工作頻段在60 MHz2 700 MHz,1 dB壓縮點(diǎn)的 輸出功率可達(dá)27 dBm,在工作頻率為900 MHz時(shí)增益高達(dá)29 dB??梢院芎玫貪M足設(shè)計(jì)要求。 1.3直流工作點(diǎn)的確定在晶體管的技術(shù)參數(shù)中,半導(dǎo)體廠家通常會(huì)給出放大器的直流工作電壓和電流。本設(shè)計(jì)采用技術(shù)參數(shù)給定的第一階放大器(Vds=4.5 V,Id=75 m)、第二階放 大器(Vds=
5、9V,Id=200mA)直流工作點(diǎn)來設(shè)計(jì)直流偏置電路。1.4直流偏置電路的設(shè)計(jì) 良 好的直流偏置電路設(shè)計(jì)目標(biāo)是選擇適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn),并在晶體管參數(shù)和溫度變化的范圍內(nèi), 保持靜態(tài)工作點(diǎn)的恒定4。本功放采取先對(duì)直流供電并聯(lián)不同值的濾波電容用以濾除供電電 壓中不同頻率的紋波,再通過射頻扼流圈把直流電壓饋入放大器。射頻扼流圈對(duì)直流相當(dāng)于 短路,對(duì)射頻信號(hào)相當(dāng)于開路,防止射頻信號(hào)泄漏5。實(shí)際中用電感代替射頻扼流圈,能夠 起到相同的作用。1.5匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的好壞對(duì)成功設(shè)計(jì)整個(gè)放大器起著決定性的作用。匹配參數(shù)變差往往會(huì)導(dǎo)致放大器的增益下降和輸入、輸出端的駐波比變差。 驅(qū)動(dòng)級(jí)功率放大器屬于A類功
6、率放大器。A類功率放大器往往采用小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)方法, 根據(jù)器件的S參數(shù)來設(shè)計(jì)6。本文就是根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的器件S參數(shù),按照小信號(hào)放大器 的設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的。整個(gè)放大器的源阻抗和負(fù)載阻抗均按50設(shè)計(jì)。首先,設(shè)計(jì)第一階放大器的輸入匹配,也就是整個(gè)放大器的輸入匹配。根據(jù)器 件數(shù)據(jù)手冊(cè)給定的、工作頻率為1 000 MHz時(shí)第一階放大器的S11=-0.95 dB-73.89參 數(shù),采用集總參數(shù)匹配中的L型匹配網(wǎng)絡(luò)利用Smith圓圖把S11匹配到圓圖的中心。L型匹 配網(wǎng)絡(luò)中的串聯(lián)電容放在靠近信號(hào)源的那一端,既起到隔直作用,又起到匹配作用。其次, 設(shè)計(jì)第一階放大器與第二階放大器的級(jí)間匹
7、配。根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊(cè)給定的、工作頻率為1 000 MHz時(shí)第一階放大器的S22=-20.14 dB-30.37和第二階放大器S11=-10.87 dB-146.69,采用集總參數(shù)匹配中的T型匹配網(wǎng)絡(luò),利用Smith圓圖把第一階放大器的S22匹配到第二階放大器的S1LT型匹配網(wǎng)絡(luò)中的串聯(lián)電容直接放在第一階放大器的輸出端, 既起到隔直作用,又起到匹配作用。最后,設(shè)計(jì)第二階放大器的輸出匹配,即整個(gè)放大器的 輸出匹配。數(shù)據(jù)手冊(cè)給定,工作頻率為1 000 MHz時(shí)第二階放大器S22=-14.38 dB-37.86 參數(shù)??梢钥闯鲚敵鲎杩挂呀?jīng)很接近50 ,僅僅用一個(gè)串聯(lián)電容就可以把S22匹配到 50 ,該
8、電容既起到匹配的作用又起到隔直的作用。整個(gè)放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)都是根據(jù) 器件數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的工作頻率在1 000 MHz時(shí)的S參數(shù)來設(shè)計(jì)的,而放大器的實(shí)際工作頻率 為915 MHz。之后,再通過仿真優(yōu)化來消除匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)所帶來的誤差。2仿真優(yōu)化選擇器件的S參數(shù)模型,采用Agilent公司的仿真軟件ADS2008對(duì)設(shè)計(jì)完成的整個(gè)功率放大器 電路進(jìn)行仿真優(yōu)化。優(yōu)化目標(biāo)設(shè)在902 MHz928 MHz頻段內(nèi),放大器的功率增益即dB(S(2, 1)要達(dá)到28 dB以上;輸入、輸出駐波比在1.5以下。優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定的比設(shè)計(jì)指標(biāo)要求苛刻 是為了保證實(shí)際做出來的功放放大器能可靠地滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。仿真優(yōu)化的最終結(jié)果
9、。圖1中的m1表示在902 MHz928 MHz頻段內(nèi),放大器增益最小為29.336 dB;圖2中 的m2和m3分別表示在整個(gè)頻段內(nèi),放大器的輸入駐波比最大為1.42,放大器的輸出駐波比 最大為1.454。由此可以看出,仿真結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。3版圖設(shè)計(jì) 根據(jù)仿真 優(yōu)化獲得的器件參數(shù),采用Altium公司的AltiumDesignerWinter9.0原理圖繪制及PCB制板 軟件繪制功率放大器的原理圖。繪制的電路原理圖。根據(jù)繪制的原理圖進(jìn)行PCB制板。本設(shè)計(jì)中采用的是FR-4板材,4層板,第二層和第三 層分別為地和電源層,板厚1.7 mm。射頻信號(hào)走線要遵循50?贅微帶線的設(shè)計(jì)原則。根據(jù)
10、微 帶線到第二層地的厚度為15 mil,基材的介電常數(shù)為4.6,介質(zhì)損耗為0.025,鋪銅厚度為 1.4 mil等參數(shù),在中心工作頻率為915 MHz條件下,利用PCB特性阻抗計(jì)算軟件計(jì)算得到 微帶線的寬度為28 mil,微帶線距旁邊地銅箔的距離為30 mil。同時(shí)在微帶線兩側(cè)要盡量多 的打上地孔,位置靠近微帶線但不超出地銅箔,意在利用多層銅箔通過通孔并聯(lián)獲得較低阻 抗和較短的射頻信號(hào)電流傳輸路徑。4實(shí)際測(cè)試 電路板加工完成后進(jìn)行焊接時(shí),一定要 注意放大器底部的散熱片與PCB板的散熱片充分接觸好。如果散熱片沒有充分接觸好,會(huì)導(dǎo) 致放大器的結(jié)溫過高,從而使得放大器不能正常工作。電路板焊接完成后,
11、接下來要對(duì)放大 器進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。首先,采用惠普公司的HP8594E頻譜分析儀測(cè)量放大器的功率增益和二次諧波分量。測(cè)試前需給放大器提供5 V和9 V的直流偏置電壓,使放大器正常工作。放 大器的輸入端輸入一個(gè)頻率為922.375 MHz、功率為-8 dBm的已調(diào)波信號(hào)。由于頻譜分析儀 最大的輸入功率為30 dBm,為了防止頻譜儀的損壞,測(cè)試時(shí)頻譜儀的輸入端加一個(gè)24 dB的 衰減器。測(cè)試結(jié)果。圖4為放大器的輸出功率測(cè)試結(jié)果。由圖中的標(biāo)記可以看出,在輸入功率為8 dBm,頻 譜儀輸入端加24 dB衰減的條件下,放大器的輸出功率為-3.38 dBm。由此可以推斷出放大器 的實(shí)際輸出功率為20.62 d
12、Bm。圖5為放大器的二次諧波分量測(cè)試結(jié)果。放大器的輸入頻率 為922.375 MHz,則放大器的二次諧波頻率為1.845 GHz。圖中標(biāo)記顯示在輸入功率為-8 dBm, 頻譜儀輸入端加24 dB衰減的條件下,放大器的二次諧波輸出功率為-28.38 dBm。二次諧波 分量為放大器的二次諧波分量輸出功率減去基波分量輸出功率。由此可得二次諧波分量為-25 dBc。其次,采用惠普公司的HP8593C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量整個(gè)頻段內(nèi)放大器的dB(S(2, 1)。測(cè)試結(jié)果。由圖中的標(biāo)記可以看出在整個(gè)工作頻段內(nèi)放大器的功率增益都在28 dB以上。由上述測(cè)試結(jié)果可得放大器的輸出功率為20.62 dBm,二次諧波分量為-25 dBc,功率增 益達(dá)到28 dB,完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)所要求的輸出功率為19 dB、增益為27 dB、二次諧波-20 dB的要求。本文清楚、直觀地演示了運(yùn)用仿真
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