（电路与系统专业论文）射频功率放大器的研究.pdf

摘要 jf i h i lli i i j ii ii ii j i i ll l u j y 19 6 0 7 2 2 相比于低频和高频频段的射频识别技术，超高频频段的射频识别技术( u h fi 西i d ) 具有读卡距离远、读卡连续性好、读卡速度快和适应物体高速运动等优点。但是目前 u h fr f i d 读写器的相关技术仍处于研发阶段，射频功率放大器是读写器射频模块的核 心部分，功率放大器的性能的好坏直接关系着读写器的数据传输距离远近和读写器工作 的稳定性。与一般功率放大器的设计相比，u h fr f l d 读写器的射频功率放大器的设计 具有更高甚至是全新的要求。 本文基于a g i l e n ta d s ，通过仿真设计了一种工作频带为：9 0 2m h z - 9 2 8 m h z ，中 心频率为9 1 5 m h z 、输入输出驻波比小于1 4 、中心频率处增益为4 6 d b 的三级射频功 率放大器。论文首先介绍了射频功率放大器的相关理论基础、主要性能指标、分类以及 几种常见的设计方法。然后按照放大器的设计步骤：设计指标的确定、器件的选择、仿 真优化等分别进行单级放大器设计，并利用s 参数分析了射频功率放大器的增益、稳定 性等各项性能指标。整个功放系统由三级组成：前置级放大器、驱动级放大器以及末级 放大器，根据读写器的性能要求分别进行各级功放设计。前置级放大器的线性度对整体 功放的线性度起着关键作用，采用最高线性度的设计方法进行功放设计：驱动级放大器 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，采用小信号s 参数放大器 的设计方法实现功放设计；末级功率放大器级主要是在工作频带内实现平坦的功率增 益，采用a l m 3 2 1 2 0 和3 d b 正交耦合器1 e 1 3 0 4 3 构成的平衡结构功率放大器来实现。 完成单级功放设计后将各级放大器分别通过4 d b 的p i 型衰减器和3 d b 正交耦合器级 联，得到整体三级功率放大器。各项指标的仿真结果证明了该放大器满足了设计指标要 求，具有较好的性能，能够满足u h fr f i d 读写器要求。最后按照射频p c b 布局、布 线以及电磁兼容性原则，采用a l t i u md e s i g n e r9 0 进行功放的p c b 版图设计。 关键词：超高频射频识别，射频功率放大器，a d s 仿真，s 参数，电磁兼容 a b s t r a c t c o m p a r e dt ol fa n dh fr f i d ，u h f r f i dh a st h ea d v a n t a g e so fl o n gd i s t a n c e ，g o o dc o n t i n u i t y , h i g h r e a d i n gc a r ds p e e da n de s p e c i a l l ya d a p tt of a s t - m o v i n go b j e c t s b u tt h e r e a d e ri n 唧r f i ds y s t e mi ss t i l l i nt h es t a g eo fr e s e a r c h ，t h er fp o w e ra m p l i f i e r ( r f p a ) i st h ec o r ec o m p o n e n ti nt h er e a d e r , i t sp r o p e r t y h a si m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt r a n s m i s s i o nd i s t a n c ea n ds t a b i l i t yo ft h er e a d e r t h eu h fr f i dr e a d e r s p r o p e r t yd e t e r m i n e si t sr f p a m u s th a v eh i g h e rr e q u i r e m e n ti nt h ed e s i g n i nt h i st h e s i sat h r e es t a g er f p ai sd e s i g n e db a s e do nt h es i m u l a t i o ni na d s ，w h i c hw o r k i n gf r o m 9 0 2m u gt o9 2 8 m h z ，i t sc e n t e rf r e q u e n c yi s9 15 m h za n dt h eg a i na t9 15 m h zi su pt o4 6 d b ，t h ev s w r i sb e l o w1 4 t h er e l e v a n tt h e o r i e s ，m a i np e r f o r m a n c ei n d e x ，c l a s s i f i c a t i o na n dd e s i g nm e t h o d so fl u f p a w e r ei n t r o d u c e df i r s t l y ，s e c o n d l ye a c hs t a g er f p ai sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ed e s i g ns t e p s ：d e t e r m i n e d e s i g ni n d e x s ，d e v i c es e l e c t i o na n ds i m u l a t i o no p t i m i z a t i o n ，t h eg a i na n do t h e rp e r f o r m a n c ei n d e xa r e a n a l y z e du s i n gs - p a r a m e t e r s t h er f p ai sc o m p r i s e db yp r e - s t a g e ，d r i v e rs t a g ea n df i n a ls t a g e e a c h s t a g ei sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e a d e r sp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s t h ep r e - s t a g ea m p l i f i e rh a s c r i t i c a l i n f l u e n c ei nl i n e a r i t yo ft h ew h o l er f p a ，t h e r e f o r eah i g h e s tl i n e a r i t yd e s i g nm e t h o dw a sa d o p t e di nt h e d c s i g n t h ed r i v e rs t a g ea m p l i f i e rr e q u i r e st h eh i g h e s tg a i nw h i l ek e e p i n gt h el i n e a r i t y , t h es m a l ls i g n a l s - p a r a m e t e r sd e s i g nm e t h o dw a sa d o p t e di n t h ed e s i g n t h ef i n a ls t a g er e a l i z e df i a tp o w e rg a i ni nt h e w o r k i n gf r e q u e n c yb a n d ，s oab a l a n c e dp o w e ra m p l i f i e rc o m p r i s e db ya l m 一3 2 1 2 0a n d1 e 1 3 0 4 3w a s a d o p t e di nt h ed e s i g n t h et h r e es t a g ea m p l i f i e r sw e r ec o n n e c t e db y - 4 d b r t a t t e n u a t o ra n d3 d bq u a d r a t u r e c o u p l e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa tl a s t ，a l t i u md e s i g n e r9 0w a su s e di nt h ep c bl a y o u td e s i g na c c o r d i n g t op c bl a y o u t ，l i n i n ga n de m cp r i n c i p l e i i i k e yw o r d s ：u h fr f i d ，r fp o w e ra m p l i f i e r , a d ss i m u l a t i o n ，s - p a r a m e t e r s ，e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b l e ( e m c ) l v 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论弟一早硒比 近年来，随着集成电路的大规模发展和电子产品成本的降低，射频识别技术( 1 强i d ) 作为一项涉及面可以渗透入居民日常生活中的新兴技术，其应用领域越来越广泛。r f i d 技术是直接利用雷达技术发展起来的一种利用射频信号通过空间藕合实现非接触信息 传递的自动识别技术。r f i d 技术具有许多突出的优点，在现实生活中到处可以见到 r f i d 的应用，较常见的应用领域有：工业、商业自动化以及交通运输控制管理【i 】。 按照读写器与标签之间进行数据交换的电磁波工作频率，r f i d 系统可分为低频 ( l f ) 、高频( h f ) 超高频( u h f ) 、微波( m w ) r 种，各个频段r f i d 系统的常见的工作频率 有：1 2 5 1 3 4k h z 、1 3 5 6 m h z 、4 3 3 9m h z 、9 1 5m h z 和2 4 5 g h z 。r f i d 系统通过电子 标签和阅读器之间耦合元件的耦合实现信息的传递，标签和阅读器间的耦合方式主要有 两种：电感耦合方式和电磁反向散射耦合方式。低频和高频r f i d 系统的工作原理是电 感耦合方式，即所谓的变压器模型，典型识别作用距离为0 1 5 c m ；超高频和微波r f i d 系统的工作原理是电磁反向散射耦合方式，即所谓的雷达原理模型，典型识别作用距离 为3 m 1 0 m 。 现阶段低频r f i d 系统使用量最大、应用技术最为成熟，其次为高频r f i d 系统， 超高频r f i d 系统居末。然而u h fr f i d 具有读卡距离远、读卡连续性好、读卡速度快 和适应物体高速运动性能好等优点，逐步成为r f i d 领域内的主流产品。它的典型工作 频段为8 6 0 m h z 9 6 0 m h z ，识别作用距离大于i m ，典型作用距离为3 m l o m ，主要用于 高速公路不停车收费，行李包裹识别管理等领域 2 - 4 。 r f i d 技术在我国已经开始得到广泛应用，但主要集中在中低频，u h fr f i d 系统的 相关技术还尚处于研发阶段，进口读写器的功能和性能都较好，但价格昂贵延缓了我国 推广此项技术的进度。而国内只有如深圳远望谷，江苏瑞福等少数几家企业具有设计、 制造超高频读写器的能力。低功耗、便携式、支持多协议的读写器，是超高频射频识别 ( u h fr f i d ) 技术得以广泛应用的关键。 射频功率放大器的研究 典型的r f i d 系统包括标签、读写器、计算机系统、天线四部分，其系统组成如图 1 1 所示。 l 计算机系统i g刮基带模块l l 射频模块姆= 图1 - 1r f i d 系统组成 标签通常安装在物体表面，能够贮存目标物体的数据信息；天线主要是完成标签和 阅读器间射频信号的传递。读写器是r f i d 系统的重要组成部分之一，读写器可与数据 服务器、p c 终端和i n t e r a c t 网络连接，集成到更高层应用系统中。读写器主要由基带模 块和射频模块两部分组成，主要功能是实现与标签之间的双向通信。其中射频模块是决 定整个读写器性能好坏的重要部分。射频模块又称为高频接口，主要任务是产生高频发 射能量，激活标签并接受来自标签的射频信号。 射频功率放大器是读写器射频模块的核心部分，用于整个发送电路的末级，是读写 器中的功率放大器件和最大耗能器件。同时功率放大器对于提高发射信号强度、延长系 统使用时间、降低电源消耗等起着关键性作用，功率放大器性能的好坏直接关系着读写 器的数据传输距离和读写器工作的稳定性。从读写器的工作原理不难看出在发射机的前 级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，只有利用射频功率放大器产生足 够大的射频输出功率才能够将信号馈送到天线上辐射出去。射频功率放大器对读写器的 工作效率和发射信号的线性度都有重要影响，射频功率放大器的设计是整个射频系统设 计中最难，也是最重要的部分【5 矧。 推动u h fr f i d 系统的产业化，离不开对u h f 读写器相关技术的研究。u h fr f i d 阅读器要具有读卡距离远、读卡连续性好等优点。读写距离是阅读器的一项重要参数， 影响阅读器到标签的读写距离的因素主要是阅读器的射频发射功率，发射功率越大，识 别作用距离越远。另外射频信号在空中传输不可避免的存在衰减，因此对于射频模块的 设计，要求做到要求整个功放系统较高的功率增益以实现远距离读写，但是增益也不能 无限制的增大，增益过大会影响整个接收机的动态范围；u h fr f i d 读写器一般工作在 跳频模式，收发双方按照某种规律跳变实现通信，这种通信模式要求读卡器功放系统的 2 第一章绪论 带内增益波动必须较小以实现读卡连续性好的目的；u h fr f i d 系统主要采用a s k 调制 方式，为了使射频信号无失真通过功率放大器，功放有一定的线性度要求。功率放大器 的设计是一个很复杂的过程，需要综合考虑功率、效率、增益、带宽等性能指标，但是 在设计功率放大器时发现这几项指标往往是相互矛盾的，因此在功放设计中需要认真分 析考虑。射频模块的功率放大器设计直接影响整个读写器的性能，功放的良好设计对于 整个r f i d 系统具有重要意义。 1 2 射频功率放大器的研究进展 无线通信的不断发展要求提高射频功率放大器的性能。为了降低通信运营商的运营 成本，要提高功放的效率；为了以更低的功率进行驱动，降低成本，这就要求提高功放 的增益。射频功率放大器的设计面临线性化，提高效率，降低功耗，易于集成以及电磁 兼容等挑战。近五十年来人们不断推动射频功率放大器的发展和进步。 一方面射频器件和射频技术的发展使射频功率放大器的发展成为可能。双极晶体管 ( b j t ) 以及结型场效应管( f r e t ) 的提出实现了对从几百兆赫到k a 波段的信号放大；g a a s ( 砷化镓) 肖特基势垒栅场效应晶体管的研制成功，使射频微波功率放大器具有高频率、 低噪声、大功率等一系列优点；异质结双极晶体管( h b t ) 的研制成功使射频固态功率放 大器的工作频率达到毫米波频段；近年来高电子迁移管、异质结场效应管和异质结双极 管等新型固态器件以及i n p 、，s i c 、c a n 等新材料的出现加快了射频微波功率放大器的 发展。一种在几平方毫米g a a s 基片上集成微波放大器电路的单片集成( m m i c ) 技术使 m m i c 射频器件也在快速发展，这种单片集成的射频器件具有体积小，增益高等优点， 已经在越来越多的领域中使用；反馈技术和预失真技术的发展使放大器的效率及线性度 得到了很大的提高；各种效率增强技术提高了射频器件的效率；通过功率合成技术使我 们可以采用多个放大管输出高达几千瓦的功率。 另一方面随着射频电路计算机辅助设计技术的发展，出现了许多射频微波电路仿真 软件。这些软件集成了大量器件的数学模型，随着计算机辅助设计技术的进步，器件模 型精度和计算机运算能力不断提高，设计者能在很短的时间内得到与实际非常接近的结 果。放大器的设计中需要综合考虑工作频带，增益平坦度，输入输出驻波比等性能指标， 在实际射频电路中较难进行微调，此时借助计算机模拟仿真是最好的解决方法。由计算 机得到的电路仿真，能对电路各项参数进行优化，通过比较选择最佳电路方案。 射频功率放大器的研究 1 3 本文的主要研究内容及结构安排 本文主要研究了应用于u h fr f i d 系统读写器的射频功率放大器，首先介绍了关于 射频功率放大器的基本理论知识和几种设计方法，然后利用a d s a d v a n c e dd e s i g n s y s t e m 对功率放大器进行了详细的分析研究，进行了各级功放的设计与仿真，解决了射 频功放电路设计中的关键问题，通过仿真实现了整体三级射频功率放大器的设计，最后 分析了p c b 板的电磁兼容性等问题，并采用a l t i u m 公司的a l t i u m d e s i g n e r w i n t e r 9 0 进 行了三级放大器的及p c b 设计。 本文内容安排如下： 第一章：绪论部分，通过阅读大量关于射频功率放大器的相关文献和资料，主要介 绍了本课题研究的目的、意义以及射频功率放大器的研究进展。 第二章：介绍了射频功率放大器的具体理论基础、主要性能参数和分类。 第三章：介绍了射频功率放大器设计方法，并详细介绍了射频功率放大器的电路设 计过程，包括前置级、驱动级、功放级放大器和三级功放系统的整体设计，并通过a d s 仿真给出了各级放大器以及整体三级功放系统各种性能参数的仿真结果。 第四章：分析了在射频功率放大器p c b 的设计过程中应该考虑的射频板的布局、 布线以及电磁兼容性问题，利用a l t i u md e s i g n e r 对整体功放系统进行p c b 设计。 4 第二章射频功率放大器理论基础 第二章射频功率放大器理论基础 本章主要分为三部分，2 1 节首先介绍了射频功率放大器设计中常用的传输线理论， 推导了一般传输线的基本方程；在2 2 节中详细介绍了射频功率放大器的各项性能指标 如输出功率、增益、效率和输入输出驻波比等；最后在2 3 节介绍了射频功率放大器的 不同分类。 2 1 传输线理论 传输线理论是射频电路设计中最常用的基础内容之一，也是高频电路和低频电路的 显著区别。传输线理论在场分析和基本电路理论之间架起了桥梁，在微波网络分析中有 重要意义。射频功率放大器分立元器件主要有电阻、电容和电感，这些元器件在低频情 况下特性模型很简单，整个电路可看作是电磁空间的一个点，只需要关心各个器件端电 流和端子间的电压，不涉及器件内部的物理过程，此时采用基尔霍夫电路定律的集总电 路分析理论就能进行电路的分析。随着频率的增大电磁波的波长将不断减少，在涉及高 频应用时，元件的电器特性发生了很大的变化，当电磁波的波长与射频电路的几何尺寸 可比拟时，必须考虑器件内部的物理过程，电波的特性开始取代基尔霍夫电压和电流定 律占主导地位，需要把它们看作是传输的波来处理，必须采用基于传输线的分布参数电 路理论来分析射频电路。 2 1 1 一般传输线基本方程 工作频率的提高意味着波长的减小，当频率提高到u h f 频段时，波长几乎和元件 尺寸相当，需要用波的特性来分析，此时需采用基于传输线的分布参数电路理论来分析 而不是基尔霍夫电路定律，因为电流和电压不再是空间的不变量。但是可以借鉴数学中 的极限分割的思想，将传输线分割成多个较小的线元a z ，总能分割成这样的线元一一 在每个小线元上电压和电流能够看作是恒定的量，此时就可应用基尔霍夫电路定律来分 析传输线 - 8 1 ，如图2 一l 所示。 射频功率放大器的研究 图2 - 1 z 长度传输线等效电路圈 分析z 和z + a z 之间的小线元z ，应用基尔霍夫电压定律可以得到以下方程： 亿+ 歹础) ，( z 皿+ u ( z + z ) = u 亿) ( 2 - 1 ) 当分割的线元为无限多个，即z 趋于0 一仁+j础)，仁)=lim(堕挚-百du(z)az-+o ( 2 2 ) 幽 “厶 弧1 d v r ( z ) = 一轵+ s l( 3 5 ) 2 ) 两参数判断准贝j j ( k - b 参数) ，放大器无条件稳定需满足： k 1 且b 0 ( 3 - 6 ) 3 ) 两参数判断准则( k 一参数) ，放大器无条件稳定需满足： k l 且i l 石0 嚣0 c 8 - 0 - o 0 气 气 。n 3 、 一 虚 9 0 5 9 1 09 1 59 2 0 9 2 59 3 0 f r e q ，m h z 图3 - 12 驱动级放大器带内波动仿真结果 1 荫2 1 6 6 0 1 6 5 6 。l 峪w r l _ p 哆* 謦 iv s w r 2b _ e h 争9 e 9 0 09 0 5 9 1 09 1 5 9 2 09 2 59 3 0 f r e q ，m h z 图3 - 1 3 驱动级放大器输入、输出驻波比仿真结果 c ，) 刃 n ； 8 科 s ! 钙 钳 铊 牾 稻 的 锵 锄 辑 蚪 1 1 j j 第三章射频功率放大器电路设计及仿真 从仿真结果可以看出：在整个工作频带9 0 2 m h z - - 9 2 8 m h z 上驱动级放大器带内波动为 0 1 ；在整个工作频带上输入驻波比小于1 - 6 6 3 ；输出驻波比小于1 4 5 5 。 各项指标的仿真结果与设计指标对照可以发现驱动级放大器满足驱动级设计要求。 3 5 3 功放级设计及仿真 由于该功放是应用于u h fr f i d 读写器的射频模块中的，前面已经提到u h fr f i d 读写器对于读写器的读写距离有较高的要求，不仅要求距离远而且要求读卡连续性要 好。而读写器工作的跳频模式要求读卡器的功放系统带内增益波动必须足够小以保证读 卡连续性性，因此功放级主要是在工作频带内实现平坦的功率增益。选用a v a g o 公司 的单片微波集成电路( m m i c ) 放大器a l m 3 2 1 2 0 和a n a r e n 公司的3 d b 正交耦合器 1 e 1 3 0 4 3 进行平衡功率放大器的设计。3 d b 正交耦合器构成的平衡功率放大器的重要优 点是输入驻波比不依赖于负载失配水平，反射功率耗散在5 0 欧的平衡电阻上。根据数 据手册提供的s 参数数据，在a d s 内分别创建1 e 1 3 0 4 3 和a l m 一3 2 1 2 0 的s