摘  要： 設計了一個工作頻段在902 MHz～928 MHz，輸出功率為19 dBm、功率增益高達27 dBm、應用于射頻識別(RFID)系統的驅動級功率放大器。為縮短功率放大器的研發周期并提高其開發的成功率，設計運用了仿真優化和實際測試相結合的方法。測試結果與仿真結果的高度一致性驗證了這種方法的有效性。
關鍵詞： 射頻識別；功率放大器；仿真優化；驅動級

    隨著860 MHz～960 MHz(UHF)頻段遠距離射頻識別(RFID)技術的快速發展，UHF頻段讀卡器在高速公路自動收費、停車場管理等領域得到廣泛應用。遠距離射頻識別技術的最大優勢就是讀卡距離遠。此處的卡為無源卡，需要接收讀卡器的發射功率作為能量才能正常工作，從而把卡號發給讀卡器。所以在無線電管理委員會規定的最大發射功率的條件下，讀卡器的發射功率越大，讀卡的距離就越遠。然而決定讀卡器發射功率大小的一個直接因素就是發射部分功率放大器的放大能力。驅動級功放位于發射電路混頻器和末級功放之間。因為發射混頻器的輸出功率一般很小，所以驅動級的設計主要考慮在保持線性的條件下獲得盡可能高的增益。如果驅動級的增益不夠會導致對末級功率放大器的增益指標要求更加苛刻。一般末級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，驅動級設計的好壞直接決定了整個功放系統的性能[2]。如何設計一個高增益的驅動級放大器就成為RFID整個功放系統設計的一個難點。關于高增益功率放大器的設計，不少文獻都有比較詳細的闡述，但這些設計是基于理論計算和輔助軟件進行的，或者是直接進行實際測試的，很少有把輔助軟件和實際測試相結合的，可見這樣的設計周期長，同時設計的成功率也不高。本文介紹了采用輔助軟件和實際測試相結合來設計功率放大器的方法。用輔助軟件對所設計的功放進行理想情況下的驗證。用實際測試來檢驗仿真驗證的準確性并對仿真的誤差進行校正，從而使實際設計的功放滿足設計要求[3]。這種設計方法不但可以大大縮短功放的設計周期，還能保證所設計功放的成功率。
1 放大器的設計
1.1 設計指標
    頻率范圍：902 MHz～928 MHz；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
    驅動級的設計主要考慮放大器增益，本設計選擇了TriQuint公司設計應用于RFID的兩階放大器AH103A。該晶體管工作頻段在60 MHz～2 700 MHz，1 dB壓縮點的輸出功率可達27 dBm，在工作頻率為900 MHz時增益高達29 dB。可以很好地滿足設計要求。
1.3 直流工作點的確定
    在晶體管的技術參數中，半導體廠家通常會給出放大器的直流工作電壓和電流。本設計采用技術參數給定的第一階放大器(Vds=4.5 V，Id=75 m)、第二階放大器(Vds=9 V，Id=200 mA)直流工作點來設計直流偏置電路。
1.4 直流偏置電路的設計
    良好的直流偏置電路設計目標是選擇適當的靜態工作點，并在晶體管參數和溫度變化的范圍內，保持靜態工作點的恒定[4]。本功放采取先對直流供電并聯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。射頻扼流圈對直流相當于短路，對射頻信號相當于開路，防止射頻信號泄漏[5]。實際中用電感代替射頻扼流圈，能夠起到相同的作用。
1.5 匹配網絡的設計
    匹配網絡設計的好壞對成功設計整個放大器起著決定性的作用。匹配參數變差往往會導致放大器的增益下降和輸入、輸出端的駐波比變差。驅動級功率放大器屬于A類功率放大器。A類功率放大器往往采用小信號放大器的設計方法，根據器件的S參數來設計[6]。本文就是根據數據手冊提供的器件S參數，按照小信號放大器的設計方法來設計輸入、輸出匹配網絡的。
    整個放大器的源阻抗和負載阻抗均按50 Ω設計。首先，設計第一階放大器的輸入匹配，也就是整個放大器的輸入匹配。根據器件數據手冊給定的、工作頻率為1 000 MHz時第一階放大器的S11=-0.95 dB∠-73.89參數，采用集總參數匹配中的L型匹配網絡利用Smith圓圖把S11匹配到圓圖的中心。L型匹配網絡中的串聯電容放在靠近信號源的那一端，既起到隔直作用，又起到匹配作用。其次，設計第一階放大器與第二階放大器的級間匹配。根據器件數據手冊給定的、工作頻率為1 000 MHz時第一階放大器的S22=-20.14 dB∠-30.37和第二階放大器S11=-10.87 dB∠-146.69，采用集總參數匹配中的T型匹配網絡，利用Smith圓圖把第一階放大器的S22匹配到第二階放大器的S11。T型匹配網絡中的串聯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，設計第二階放大器的輸出匹配，即整個放大器的輸出匹配。數據手冊給定，工作頻率為1 000 MHz時第二階放大器S22=-14.38 dB∠-37.86參數。可以看出輸出阻抗已經很接近50 Ω，僅僅用一個串聯電容就可以把S22匹配到50 Ω，該電容既起到匹配的作用又起到隔直的作用。整個放大器的匹配網絡都是根據器件數據手冊提供的工作頻率在1 000 MHz時的S參數來設計的，而放大器的實際工作頻率為915 MHz。之后，再通過仿真優化來消除匹配網絡設計所帶來的誤差。
2 仿真優化
    選擇器件的S參數模型，采用Agilent公司的仿真軟件ADS2008對設計完成的整個功率放大器電路進行仿真優化。優化目標設在902 MHz～928 MHz頻段內，放大器的功率增益即dB(S(2，1))要達到28 dB以上；輸入、輸出駐波比在1.5以下。優化目標設定的比設計指標要求苛刻是為了保證實際做出來的功放放大器能可靠地滿足設計指標要求。仿真優化的最終結果如圖1、圖2所示。

    圖1中的m1表示在902 MHz～928 MHz頻段內，放大器增益最小為29.336 dB；圖2中的m2和m3分別表示在整個頻段內，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，仿真結果完全滿足設計指標要求。
3 版圖設計
    根據仿真優化獲得的器件參數，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。繪制的電路原理圖如圖3所示。

    根據繪制的原理圖進行PCB制板。本設計中采用的是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。射頻信號走線要遵循50 ?贅微帶線的設計原則。根據微帶線到第二層地的厚度為15 mil，基材的介電常數為4.6，介質損耗為0.025，鋪銅厚度為1.4 mil等參數，在中心工作頻率為915 MHz條件下，利用PCB特性阻抗計算軟件計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。同時在微帶線兩側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獲得較低阻抗和較短的射頻信號電流傳輸路徑。
4 實際測試
    電路板加工完成后進行焊接時，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，會導致放大器的結溫過高，從而使得放大器不能正常工作。電路板焊接完成后，接下來要對放大器進行實際測試。
    首先，采用惠普公司的HP8594E頻譜分析儀測量放大器的功率增益和二次諧波分量。測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頻率為922.375 MHz、功率為
-8 dBm的已調波信號。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，測試時頻譜儀的輸入端加一個24 dB的衰減器。測試結果如圖4、圖5所示。

    圖4為放大器的輸出功率測試結果。由圖中的標記可以看出，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際輸出功率為20.62 dBm。圖5為放大器的二次諧波分量測試結果。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矢量網絡分析儀測量整個頻段內放大器的dB(S(2，1))。測試結果如圖6所示。由圖中的標記可以看出在整個工作頻段內放大器的功率增益都在28 dB以上。

    由上述測試結果可得放大器的輸出功率為20.62 dBm，二次諧波分量為-25 dBc，功率增益達到28 dB，完全滿足設計指標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、直觀地演示了運用仿真優化和實際測試相結合來設計功率放大器的整個過程。仿真和實際的測試結果顯示，所設計的功率放大器完全滿足設計指標要求。這種仿真與實際測試結果的一致性驗證了該方法的有效性。實際測試結果表明，采用這種方法設計的驅動級功率放大器輸出功率達20.62 dB，增益高達28 dBm，二次諧波分量為-25 dBc，完全滿足設計要求。故該放大器能夠很好地應用在RFID功放系統中，以提高系統的性能。
參考文獻
[1] GILMORE R，BESSER L.Practical RF circuit design for modern wireless systems，volume II，Active Circuits and Systems[M].London.Artech House，2003.
[2] STEVE C.CRIPPS.RF power amplifiers for wireless comunications[M].Artech House，1999.
[3] LUDWIG R，BRETCHKO P.RF circuit design：theory and applications[M].Englewood.Prentice-Hall，Inc，2000.
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[5] GREBENNIKOV A.RF and microwave power amplifier  design[M].McGraw-Hill Companies，2005.
[6] GONZALEZ G.Microwave transistor amplifiers analysis and design[M].Prentice-Hall，Inc，1997.