驱动级功率放大器的设计与实现

　　随着860 MHz～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应用。远距离射频识别技术的最大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才能正常工作，从而把卡号发给读卡器。所以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放大能力。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，很难获得较高的增益[1].所以，驱动级设计的好坏直接决定了整个功放系统的性能[2].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，不少文献都有比较详细的阐述，但这些设计是基于理论计算和辅助软件进行的，或者是直接进行实际测试的，很少有把辅助软件和实际测试相结合的，可见这样的设计周期长，同时设计的成功率也不高。本文介绍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[3].这种设计方法不但可以大大缩短功放的设计周期，还能保证所设计功放的成功率。

　　1 放大器的设计

　　1.1 设计指标

　　频率范围：902 MHz～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.

　　1.2 器件的选择

　　驱动级的设计主要考虑放大器增益，本设计选择了TriQuint公司设计应用于RFID的两阶放大器AH103A.该晶体管工作频段在60 MHz～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.可以很好地满足设计要求。

　　1.3 直流工作点的确定

　　在晶体管的技术参数中，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阶放大器（Vds=4.5 V，Id=75 m）、第二阶放大器（Vds=9 V，Id=200 mA）直流工作点来设计直流偏置电路。

　　1.4 直流偏置电路的设计

　　良好的直流偏置电路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[4].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，防止射频信号泄漏[5].实际中用电感代替射频扼流圈，能够起到相同的作用。

　　1.5 匹配网络的设计

　　匹配网络设计的好坏对成功设计整个放大器起着决定性的作用。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[6].本文就是根据数据手册提供的器件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。

　　整个放大器的源阻抗和负载阻抗均按50 Ω设计。首先，设计第一阶放大器的输入匹配，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时第一阶放大器的S11=-0.95 dB∠-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S11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，既起到隔直作用，又起到匹配作用。其次，设计第一阶放大器与第二阶放大器的级间匹配。根据器件数据手册给定的、工作频率为1 000 MHz时第一阶放大器的S22=-20.14 dB∠-30.37和第二阶放大器S11=-10.87 dB∠-146.69，采用集总参数匹配中的T型匹配网络，利用Smith圆图把第一阶放大器的S22匹配到第二阶放大器的S11.T型匹配网络中的串联电容直接放在第一阶放大器的输出端，既起到隔直作用，又起到匹配作用。最后，设计第二阶放大器的输出匹配，即整个放大器的输出匹配。数据手册给定，工作频率为1 000 MHz时第二阶放大器S22=-14.38 dB∠-37.86参数。可以看出输出阻抗已经很接近50 Ω，仅仅用一个串联电容就可以把S22匹配到50 Ω，该电容既起到匹配的作用又起到隔直的作用。整个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S参数来设计的，而放大器的实际工作频率为915 MHz.之后，再通过仿真优化来消除匹配网络设计所带来的误差。

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　　2 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。优化目标设在902 MHz～928 MHz频段内，放大器的功率增益即dB（S（2，1））要达到28 dB以上；输入、输出驻波比在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放放大器能可靠地满足设计指标要求。仿真优化的最终结果如图1、图2所示。

　　图1中的m1表示在902 MHz～928 MHz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1.454.由此可以看出，仿真结果完全满足设计指标要求。

　　3 版图设计

　　根据仿真优化获得的器件参数，采用Altium公司的AltiumDesignerWinter9.0原理图绘制及PCB制板软件绘制功率放大器的原理图。绘制的电路原理图如图3所示。

　　根据绘制的原理图进行PCB制板。本设计中采用的是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 ？赘微带线的设计原则。根据微带线到第二层地的厚度为15 mil，基材的介电常数为4.6，介质损耗为0.025，铺铜厚度为1.4 mil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28 mil，微带线距旁边地铜箔的距离为30 mil.同时在微带线两侧要尽量多的打上地孔，位置靠近微带线但不超出地铜箔，意在利用多层铜箔通过通孔并联获得较低阻抗和较短的射频信号电流传输路径。

　　4 实际测试

　　电路板加工完成后进行焊接时，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工作。电路板焊接完成后，接下来要对放大器进行实际测试。

　　首先，采用惠普公司的HP8594E频谱分析仪测量放大器的功率增益和二次谐波分量。测试前需给放大器提供5 V和9 V的直流偏置电压，使放大器正常工作。放大器的输入端输入一个频率为922.375 MHz、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加一个24 dB的衰减器。测试结果如图4、图5所示。

　　图4为放大器的输出功率测试结果。由图中的标记可以看出，在输入功率为-8 dBm，频谱仪输入端加24 dB衰减的条件下，放大器的输出功率为-3.38 dBm.由此可以推断出放大器的实际输出功率为20.62 dBm.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 GHz.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整个频段内放大器的dB（S（2，1））。测试结果如图6所示。由图中的标记可以看出在整个工作频段内放大器的功率增益都在28 dB以上。

　　由上述测试结果可得放大器的输出功率为20.62 dBm，二次谐波分量为-25 dBc，功率增益达到28 dB，完全满足设计指标所要求的输出功率为19 dB、增益为27 dB、二次谐波≤-20 dB的要求。

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　　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。实际测试结果表明，采用这种方法设计的驱动级功率放大器输出功率达20.62 dB，增益高达28 dBm，二次谐波分量为-25 dBc，完全满足设计要求。故该放大器能够很好地应用在RFID功放系统中，以提高系统的性能。

　　参考文献

　　[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.

　　[4] ULRICH L R，DAVID P N.RF microwave circuit design  for wireless applications[M].John Wiley & Sons，Inc.2000.

　　[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.