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。