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功率放大器设计

功率放大器设计   随着860 MHz~960 ml?MHz(UHF?)频段远距离射频识别(RFID)技¥术的…

功率放大器设计

  随着860 MHz~960 ml?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的应用。UHF频段读卡器的一个最大优?点是读卡距离远。此处的卡为无源?卡,需要♂接收读卡器的发射功率作为能量,获得能量/才能正常工作从而把卡号发给读卡器。因此影响读卡器读卡?距离%远?近的重要因素是发?射功率的大小。读卡器一?般工作在跳频模式,即在一定的时间内载波频率以250 kHz?为间隔从902 MHz跳到?928 MHz。在这种工作?模式下,要求读卡器的末级㏑?功率放大器带内增益波动必须小。如果∞功率放大器的带内增益平坦度很差,则在某些频点上输出功率较小,这样就会导致在这些频点上读卡器有可能读不到卡或读卡距离很近,以?致读卡器的读卡距离性?能受到严重影响。所以读卡器末级功率放?大?器设计的主要目标就是在工作频带内实现平坦的功?率增益,同时为了便于前级和后级电路的独立设计也要求具有较好的输入、输出驻波比。就目前来说,有补偿匹配、负反馈电路和平衡放大3种技术可以实?现频带内平坦的功率增益。补偿匹配电路技术是℅通过在放大电路中设计失配的输入和﹤输出∷匹配网络,来补偿射频晶体管正向电压传输系数| S21 mol|随频率的变化,从而实现频带范围内功率增益?的平坦。在使用频率补偿网络时,由于在一≌些频段匹配电路处于阻抗失配状态,会导致放大电路的输入或者输出端口的驻波系数VSWR的增加,不利于前级和后级电?路?的设计。负反馈电路技术虽然可以在整个频带内获?得平?坦的功率增益并且还可以降低输入和输出驻波系数,但是会增大放大电路的噪声系?数而且还会使放大电路的功率增益大幅度降低[1]。与前2种技术相比,平衡放大技术的优点㎜是:可以独立设计射频放大电路;获得平坦的功率增益和噪声系数;不必过多地考虑输入和输出端口的阻抗失配问>题;具有更高∴的稳‰定性和可靠性;容易实现级联工作并且?具有?2倍于单个放大?电路的功率输出[2]。

本文引用地址:http://www.e※epw.com.cn/article/265796.htm

  1 平衡放大器工作原理

  平衡放大电路采用2个3? dB混合耦合器和2㏄个射频放大芯片构?成对称电路,通过隔离入射?信号和反射信号,从而实现频带范围内功率增益的平坦和?降低输入、输出端口的驻波比,电㎡路结构框图如图1所示[3]。

  

  因为平衡放大电路中包含了3 dB耦合器,所以?有必要先分析一下√3 dB耦合器的传输*-特性。参?考图1来描述3 dB耦合器的传输特性:(1?)如﹢果射频信号从1端口输入其他端口连接匹配负载,则1端口入射的射频?信号的功率被平均分配到2端口和3端口输出≥并且输出信号的相位№×在2端口相对于3端口超前∠П/2,在4端口由于信号抵消而没有功率?输∏出;(2)如果2℡端口和?3端口输入相同幅度的射频信号,并且在相位上2端口的射频信号超℉前3端?口射频信号П/+2,则射频功率在?4端口输出并且功率为输入功率之?和,在1端口由于信号抵消没有功率输出¢。

  根据上述3 dB分支耦合器的?传输特性,1端口入射的射频信号经过3 dB耦合器后,被平均分配到2个放大器芯片T1和T2的输入端口,其中2端口的射频信号超前3端口П/2。假设2个放大电路的特性完全一致,则放大器芯片T1和T2反射的射频信号幅度相同,反射信号将进入3 dB分支耦合器。由于反射信号在2端口的相位超前3端口㎏П/2,按照3 dB分支耦合器的特性,合成功率在?4端口输出被50 &O∵mega;的匹配电阻吸收,而在1端口则没有输出。因∩此,即使2∪个放大电路在输入端产?生很大的反射,在平衡放大电路的射频输入端可以没有射频信号的反射,实现很低的输入驻波系数。同理,经过放大电路后的输出信?≮号会在放大电路的输出端口合成,而反=射?信号则被50 &Om㏕ega;的匹配电阻吸收,可以大幅度降低放大电路的输出驻?波系数。

  2 放大器设计及优化

  2.1 设计指标

  频率范围:902 MHz~928 MHz;输入功率:o?19 dBm;输出功率:32 dBm;增益:13 ¥dB;增益平坦度≤±0.5 dB;二次谐波分量≤-30 dBc;输入、输出驻波比≤1.5。

  2.2 器件的选择⊕

  平衡≈功率放大器的设计需要2?个3 dB正交耦合器和2个放大器芯片,由于电路结构完全对称,所以上下2个放大器芯片完全相同。3 dB正交耦合器的选择主要考虑其输入、输出驻波比。放?大器芯片的选?择主要考虑其1 dB增益压缩点。本设计选择了Anaren公司的3 dB正交耦合器XC0900A-03。该耦合器工作频段在811 MHz~1 000 MHz,驻波比都在?1.5以下。放大器芯片?为WJ公司的FP31QF,该放大器∽芯片的工作频段为50 ⊙±MHz~4 000 MHz,在915 MHz时1 dB压缩2点的输出功率可达34 dBm。上述器件的特性指标都满足设计要求,因此这些器件可以很好地应用在平衡功率放大器的设计中。

  2.3 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芯片的直流工作电压和电流。本设计的放大器芯片FP31QF≯采用技﹢?术参数给定的(Vd?×s=9 V,Ids=450 mA)直流工作点来∈设计直流偏置电路。

  2.4 直流偏置♀电路的设计

  良好的直流偏置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3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露。实际中?用电⌒感代替射频扼流圈能够起到相同的作用。?

  2.5 匹配网络∝的设计

  本文的输入、输出匹配网络是根据数据手册给⊿定的器件?S参数,按照小信号放大器的设计方法来设计的[5]。由∑于平衡功率放大器的结构是完全对称的◎,所以只需要¬对一个放‖大器芯片进行输入、输?出匹配㎝网络的设?计。

  整个放大器的源阻抗和负载阻抗均按50 Ω设计[6]。首先,设计放大器芯片的输入匹配。根据器件数据手册给定,工作频率为1 0〒00 MHz时放大器芯片S11=0.9∠-1?60?.54参数,采用集总参数?匹配中的T型匹配网络利用Smith÷圆图把放大器芯?片的S11匹配到50 Ω。其次,设计放大器芯片的输出匹*配网络。根?据数据手册给定,工作功率放大器设计频率1 000 MHz时第二阶放大器S22=0.49″∠-162.14参数。采?用集总参数匹配中的L型匹配网络利用Smith圆图把S22匹配到圆图的中心。L型匹配网络中∣的串联电容直接放在?放大器芯片输出端,既起到隔直?作用,又起到匹配作用。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?参数设计的,而放大器的实际中心工作频率为915 MHz。之后会通过仿真?优化消除匹配网络≡设计所带来的误差。

  2.6 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对设计完成的整个平衡功率放大器进行仿真优化?。优$化目标设在902 MH?z~92μ8 MHz频段内,放?大器的增益平坦度≤±0.5 dB;输入?、输出驻波比≤1.5。仿真优化结果如图2、图3所示﹣。

  

  ﹣图2中的m1表示在902 MHz~928? MHz频℃段内,放大器最大∟增?益偏离平均值0.05 dB,m2表示最小增益偏离?平均值为-0.05?2 dB;图3中的m㎞3和m4分@∨别表示?在整个频段内∶放大器的输入驻波比最大为1.02,放大器的输出驻波比最大为1.047。

  仿真≒结果表明,<整个工作频段内放?大器的增益平坦度≤&plusmn?;0.1,输入、输出?驻波比≤1.1,完全满足设计指标要求。

  3 实际测试

  ⊥电路板加工完成后,进行焊接。在焊接时,一定要注意放大器芯片和耦合器底部的散热片与PCB板散热片的充分接触。如果散热片没有充分接触,则会导致放大器芯片和耦合器的结温过高,从而使放大器和耦合器不能正常工作。电路板焊接完成后,需对放大器进行实际的测试。

  采用惠普公司的HP8594E频§谱分析仪对放大器的输出功率、二次?谐?波分量参数进行测量。测试前需给放大器提供-1 V的栅极和9 V£的漏极直流偏置电压,使放大器正常工作。放¤大器的输入端输入一个频率为9221.37m5 MHz、功°率为19 dBm的已调波信号。由?于频谱分m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需加一个衰减器,衰减值应保证大于放大器额定输出功率与频谱仪?最大输入功率的差值。本设计使≤用了一个30 dB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19 ∷dBm、频谱仪输入端加?30 dB衰减的条件下,放大器?的输出功率为2.67 ?dBm。由此?可以推断出放大器的实际输出功率为32.67 dBm,同时可得放大器在该频点的功率增益达13 dB。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 MHz。图中标记显示在输入功率为19≦ dBm,频谱仪输入3端加30 dB衰减的条件?下,放大器的二次谐波输出功率为-38.33 dB∮m。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-41 dBc?㎎。

  由上述测试结果可得放大器的输∧出功率为32.67 dBm,二次谐波分量为-41 dBc功率增益达到13 dB,完全满足设计指标所要求的输出功率32 dB、二次谐波≤-30 dBc、增益为13 dB。

  本文在分析平㈱衡功率放大器电路结构和工作原理的基础上,清楚、直观地演示了运用平衡放大技?术来设计读卡器末级功′率放大器的过程。仿真和实际测试结果显示,所设计的功率放大器实现了工作频?带内低增益平坦度和良好的输入、输出驻波比等要求。

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作者: mgnqyz

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