UHF RFID閱讀器中功率可控放大器的設(shè)計

李建雄，宋山林，趙　可，邢梅恩，張奇龍，陳明省

（1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津　300387；2.華北油田通信公司生產(chǎn)技術(shù)部，河北任丘　062550）

UHF RFID閱讀器中功率可控放大器的設(shè)計

李建雄1，宋山林1，趙可1，邢梅恩2，張奇龍1，陳明省1

（1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津300387；2.華北油田通信公司生產(chǎn)技術(shù)部，河北任丘062550）

設(shè)計了一種應(yīng)用于UHF RFID閱讀器發(fā)射機(jī)中的功率放大器.采用2級功放，第1級功放采用數(shù)控增益放大器ADL5240，第2級采用放大器ADL5605，工作在902～928 MHz的頻率范圍內(nèi).實(shí)測結(jié)果顯示：在915 MHz的中心頻率處，此功率放大器能夠產(chǎn)生大于30 dBm的信號，增益范圍為10.6～40.4 dB，效率可達(dá)到42%.該設(shè)計能夠滿足發(fā)射機(jī)對信號的要求.

射頻識別；閱讀器；功率放大器；增益

射頻識別（RFID）是一種無需物理接觸就能對目標(biāo)物體進(jìn)行識別的技術(shù)，從20世紀(jì)90年代開始興起，并得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用［1］.它利用無線射頻信號通過電磁場的空間耦合實(shí)現(xiàn)對物體的自動識別.閱讀器、標(biāo)簽及應(yīng)用軟件系統(tǒng)是RFID系統(tǒng)的3個必備部分［2］.

射頻功率放大器是閱讀器系統(tǒng)中非常重要的部分，把前面的小信號放大后送到天線發(fā)射出去［3］，其性能關(guān)乎整個閱讀器系統(tǒng)是否能正常工作.例如，閱讀器讀寫距離的長短與其輸出功率有很大關(guān)系，閱讀器的功耗也與其發(fā)射的效率息息相關(guān)［4］.但是閱讀器中常用的功率放大器存在增益低、效率低和控制不靈活等諸多問題，制約了RFID技術(shù)的發(fā)展.本文設(shè)計了一款增益和效率折中、且增益靈活可控的功率放大器.在功率放大器的各項指標(biāo)中，效率和線性度是相互沖突的，2個指標(biāo)不可能都達(dá)到最好［5］.比如A類放大器的線性度很高，但效率卻很低；B類、C類、E類放大器效率較高，但信號失真嚴(yán)重［6］.因此在設(shè)計時必須根據(jù)需要折中選擇.

1　功率放大器的主要參數(shù)

功率放大器主要用來放大射頻信號至需要的功率以使接收機(jī)能夠接收到信號，功率放大器的基本性能參數(shù)包括1 dB功率壓縮點(diǎn)、失真、功率增益和鄰信道功率比等，這些對于功率放大器的設(shè)計都是至關(guān)重要的［7］.

（1）1 dB功率壓縮點(diǎn)P1dB：當(dāng)放大器的輸入功率較小時放大器工作在線性區(qū)域，隨著輸入功率增大，放大器逐漸變得非線性，增益緩慢下降，即被壓縮.增益減小1 dB時的實(shí)際輸出功率即P1 dB，如圖1中的P1 dB點(diǎn)位置.因此可得出公式（1）：

式中：Pin為輸入功率（dB）；G為功率放大器的增益（dB）.

圖1　功率放大器的非線性Fig.1　Nonlinear of power amplifier

（2）失真：有源器件的非線性是引起功放失真的主要原因［8］，主要包括諧波失真、幅度調(diào)制對相位調(diào)制的影響（AM to PM Conversion）、互調(diào)失真.諧波失真指的是放大器輸入單頻信號時，原信號的各次諧波伴隨著原有信號在輸出端也被放大，放大的諧波會對其他頻帶產(chǎn)生干擾.AM to PM Conversion指S21相移根據(jù)輸入信號變化而變化［9］.互調(diào)失真如圖2所示，是指輸入雙音信號時輸出端產(chǎn)生的和、差頻率信號.互調(diào)失真信號距離載波信號太近以致于無法用濾波器濾除，因此對系統(tǒng)影響較大.通常電路用三階互調(diào)失真來表征線性度，三階互調(diào)失真2f1-f2和2f2-f1離f1和f2太近無法濾除.放大器的非線性可用三階截斷點(diǎn)PIP3來表征，PIP3定義為基頻功率與三階互調(diào)失真信號功率的虛擬延長線交點(diǎn)處的輸出功率大小，如圖1中的PIP3點(diǎn)位置.

圖2　功率放大器的失真Fig.2　Distortion of power amplifier

（3）功率增益：是指輸出信號功率和輸入信號功率的比值.這是功率放大器作為一種放大器件最重要的指標(biāo)［10］.

（4）鄰信道功率比（ACPR）：放大器是非線性器件，通過放大器的單頻點(diǎn)信號的頻譜會發(fā)生“擴(kuò)散”，可以認(rèn)為相位噪聲變差.ACPR定義為中心頻率為fc、帶寬B1內(nèi)的信號功率與中心頻率為fc-f0、帶寬B2內(nèi)的信號功率的比值，即發(fā)射頻率信道的平均功率和相鄰頻率信道的平均功率的比值［11］.

2 　功率放大器的鏈路預(yù)算

本設(shè)計采用2級功放，第1級功放采用數(shù)控增益放大器ADL5240，第2級采用放大器ADL5605.

ADL5605的工作頻率范圍能夠滿足系統(tǒng)頻率和帶寬要求.在典型工作頻率943 MHz時具有23 dB特征增益，具有很高的線性度和較低的交調(diào)失真，P1dB在30 dBm左右.ADL5605的輸入功率在7 dBm以下時有很好的線性度.

ADL5240是數(shù)控增益放大器（VGA）芯片，由一個放大器（AMP）和一個數(shù)控衰減器（DSA）所構(gòu)成，具有串行接口和并行接口.100 MHz～4 GHz的工作帶寬，滿足系統(tǒng)頻率和帶寬要求.在典型工作頻率2.14 GHz時，內(nèi)部放大器增益為19.7 dB，輸出P1 dB為19.5 dBm，對應(yīng)的輸入1 dB壓縮點(diǎn)為0 dBm.內(nèi)部衰減器具有6 bit、0.5 dB的衰減步長和0～31.5 dB的衰減范圍.

2個放大器級聯(lián)的框圖如圖3所示.信號依次通過VGA的放大器、VGA的衰減器和放大器ADL5605.功率放大器鏈路的輸出功率若要大于30 dBm，根據(jù)公式（1）可以得到放大器ADL5605的輸入功率至少需要8 dBm.再考慮鏈路的其他損耗，ADL5605的輸入功率應(yīng)該略大于8 dBm.DSA的衰減范圍是0～-31.5 dB，因此DSA的輸入功率在8～39.5 dBm范圍內(nèi)都可以滿足要求.ADL5240放大器的增益為19.7 dB，要達(dá)到至少8 dBm的輸出功率，輸入功率應(yīng)在-11.7 dBm以上.又由于1 dB壓縮點(diǎn)的限制，要保持高的線性度，輸入功率要在1 dBm以下，因此放大鏈路的輸入功率可以為-11.7～1 dBm.

圖3　功放鏈路預(yù)算Fig.3　Calculation of power amplifier link

3 　功率放大器的實(shí)現(xiàn)

輸入和輸出端口的阻抗匹配以及兩級功放芯片之間的阻抗匹配是該功率放大器的設(shè)計重點(diǎn).負(fù)載阻抗和源阻抗共軛匹配是阻抗匹配的根本目的，只有這樣才能獲得最大的傳輸功率，而且饋線上功率損耗達(dá)到最?。?2］.匹配的好壞直接影響到放大器的增益，如果連接特定阻抗的負(fù)載還容易引起振蕩，利用匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行良好匹配可以避免放大器發(fā)生振蕩.印制電路板（PCB）的布局布線如圖4所示，射頻線附近的地打過孔形成共面波導(dǎo)，射頻線附近不完整的地面用100 nF電容連接以提供最短的射頻信號回流路徑，減少電磁干擾.2級功放之間留出匹配電路的焊盤，以備后續(xù)調(diào)試使用.

圖4　功率放大器設(shè)計版圖Fig.4　Layout of power amplifier

4 　功率放大器電路的測試

由于實(shí)際元件的非理想性，實(shí)際結(jié)果會與理想結(jié)果有所偏差，需對功率放大器進(jìn)行測試，分析結(jié)果及遇到的問題，并根據(jù)測試結(jié)果不斷調(diào)整和優(yōu)化，使性能達(dá)到最優(yōu).所用到的測試儀器有頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀、示波器、信號發(fā)生器和程控穩(wěn)壓電源，如圖5所示.

圖5　實(shí)驗室測試環(huán)境Fig.5 Testing environment of laboratory

功率放大器電路測試的主要指標(biāo)包括輸出功率和增益.利用網(wǎng)絡(luò)分析儀確定匹配元件的實(shí)際值，使輸入阻抗和輸出阻抗都匹配到50 Ω，圖6所示為功率放大器的實(shí)物圖.

圖6　功率放大器實(shí)物圖Fig.6　Power amplifier

首先測試VGA芯片ADL5240，輸入端和輸出端加上隔直電容，用網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個端口分別接芯片的輸入端和輸出端，測得在915 MHz頻率下的輸入阻抗為90+j*30 Ω，輸出阻抗為48-j*1.5 Ω.可見輸入阻抗與50 Ω相差甚遠(yuǎn)，并不能良好匹配，因此需要為輸入端添加匹配網(wǎng)絡(luò).在ADS仿真軟件中創(chuàng)建匹配網(wǎng)絡(luò)，將輸入阻抗90+j*30 Ω匹配到50 Ω，如圖7所示.

圖7　VGA輸入匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.7　Input matching network of VGA

由于仿真使用的元件是理想的電容電感，而實(shí)際中使用的器件特性并不理想，具有寄生參數(shù)，再加上傳輸線的寄生參數(shù)影響，因此仿真的元件值并不能直接當(dāng)作實(shí)際元件值來使用.但從仿真中可以確定匹配的方向，即先并聯(lián)一個電感消掉阻抗的虛部，再串聯(lián)一個電容把實(shí)部匹配到50 Ω.在實(shí)際匹配中需要嘗試不同的電容電感值，用網(wǎng)絡(luò)分析儀觀察Smith圓圖上阻抗的位置，使匹配過程按照仿真的趨勢，結(jié)果盡量靠近50 Ω.

結(jié)合ADS軟件仿真結(jié)果并借助于網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)際調(diào)試，確定匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)際需要的電容為3.9 pF，實(shí)際的電感為18 nH.加上匹配網(wǎng)絡(luò)后的測試結(jié)果如圖8和圖9所示.

圖8　　DSA控制數(shù)據(jù)都為“0”時的阻抗Fig.8　Impedance as DSA control data are all zero

圖9　　DSA控制數(shù)據(jù)都為“1”時的阻抗Fig.9　Impedance as DSA control data are all one

由圖8和圖9可以看出，當(dāng)數(shù)據(jù)接口全為0時輸入阻抗為54.7-j*5 Ω，輸出阻抗為41.8+j*5 Ω；當(dāng)數(shù)據(jù)接口全為1時輸入阻抗為54-j*3.4 Ω，輸出阻抗為51.5-j*20.8 Ω.可以確定輸入端口的阻抗匹配良好，回波損耗都在-20 dB以下.輸出端阻抗根據(jù)衰減量大小有所不同，但回波損耗也都在-10 dB以下.

測試芯片ADL5605，用網(wǎng)絡(luò)分析儀的2個端口分別接芯片的輸入端和輸出端，測得在915 MHz頻率下的輸入阻抗為68.5+j*18.6Ω，輸出阻抗為3.5+j*27Ω，如圖10所示.相較50Ω.的目標(biāo)阻抗仍有差距，尤其是輸出阻抗和50 Ω相差較大，回波損耗S22接近0 dB，說明信號幾乎全部反射.S21參數(shù)表示增益為14.5 dB，與數(shù)據(jù)手冊給出的23 dB增益有很大差距.

圖10　　ADL5605芯片阻抗Fig.10　Impedance of ADL5605

由于輸出阻抗差距較大，首先把3.5+j*27Ω輸出阻抗匹配到50Ω，利用ADS軟件仿真得到匹配網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?，然后用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試，得到的輸出端匹配網(wǎng)絡(luò)和測試結(jié)果如圖11與圖12所示.此時，輸出阻抗為65-j*1.9 Ω，輸入阻抗為78.6+j*28.4 Ω.輸出端的回波損耗為-24 dB，可見輸出端已達(dá)到良好匹配.此時的增益為22.5 dB，相比之前的14.5 dB增益要好很多.由此得出，之前較低的增益主要是由于輸出端阻抗不匹配造成的.

圖11　ADL5605輸出端匹配網(wǎng)絡(luò)Fig.11　Output matching network of ADL5605

輸出阻抗匹配良好，接下來只需把輸入阻抗從78.6+j*28.4 Ω匹配到50 Ω即可.實(shí)際的匹配電路與測試結(jié)果如圖13和圖14所示，此時輸入阻抗為57+j*6 Ω，輸出阻抗為59-j*11 Ω.輸入輸出端口的回波損耗都在-20 dB左右，增益為22.6 dB，與手冊給出的23 dB增益基本相同，說明已經(jīng)達(dá)到良好匹配.

圖1　ADL5605輸出匹配測試結(jié)果Fig.12　Testing results of ADL5605 output matching

圖13　　ADL5605輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)Fig.13　Matching network of ADL5605 input impedance

圖14　　ADL5605輸入阻抗匹配測試Fig.14　Testing results of ADL5605 input impedance matching

將整個功放鏈路用電容連接起來進(jìn)行整體測試，由于2個功率放大器級聯(lián)后的增益約為40 dB，輸出功率會很大，因此在功放鏈路末端加一個26 dB的衰減器，以防止損壞網(wǎng)絡(luò)分析儀.分別設(shè)置VGA的數(shù)據(jù)接口為全“0”和全“1”進(jìn)行測試，結(jié)果如圖15所示.當(dāng)VGA數(shù)據(jù)口全為“1”時，衰減量為0，功放鏈路的增益為兩個功率放大器的疊加，測得為14.4 dB.扣除末端保護(hù)衰減器26 dB，功率放大器鏈路的實(shí)際增益為40.4 dB，與理論值基本相等.當(dāng)VGA數(shù)據(jù)口全為“0”時，增益為-15.4 dB，扣除末端衰減器-26 dB，功率放大器鏈路的增益是10.6 dB.因此，該功率放大器鏈路可以實(shí)現(xiàn)10.6～40.4 dB的增益范圍.

圖15　功放鏈路增益測試Fig.15　Gain test of power amplifier

給功放鏈路輸入一個915 MHz的單頻信號，功率為-20 dBm.頻譜分析儀接功放鏈路輸出端口，測試功放鏈路的增益范圍，測試結(jié)果如表1所示.鏈路增益根據(jù)VGA數(shù)據(jù)接口的變化而變化，增益分辨率約為0.5 dB，可以看作連續(xù)變化.

表1　功放鏈路輸出功率Tab.1　Output power of power amplifier

表2列出了輸入功率設(shè)為-10 dBm時功率放大器輸出功率和效率的測試結(jié)果.由表2可以看出，隨著增益的逐漸增大，輸出功率從4.58 dBm增大到30.45 dBm，功率放大器的效率也逐漸提高.在輸出30.45 dBm功率時效率約為42%.輸出功率越低效率越低的原因是功放鏈路中ADL5240的數(shù)控衰減器承擔(dān)了輸出功率.

表2　功放輸出功率和效率Tab.2　Output power and efficiency of power amplifier

把VGA數(shù)據(jù)口全設(shè)置為“1”，功放鏈路的增益最大.設(shè)置不同的輸入功率，測量其對應(yīng)的輸出功率值，多次測量求平均值.在MATLAB中把測得的輸出功率平均值畫圖，結(jié)果如圖16所示.

圖16　功放輸出功率結(jié)果Fig.16　Output power of power amplifier

由圖16可以得到，本功率放大器的P1dB為30dBm.

輸入功率增大到一定程度之后，雜散信號將隨之產(chǎn)生［10］.因此，信號在進(jìn)入天線前需要通過一個帶通濾波器以濾除雜散信號［13］.

5 結(jié)語

本設(shè)計采用2級功放，第1級功放采用數(shù)控增益放大器ADL5240，第2級采用放大器ADL5605，工作在902～928 MHz的頻率范圍內(nèi).對功率放大器的性能進(jìn)行了相關(guān)測試和分析，結(jié)果表明，在915 MHz的中心頻率處，該功率放大器鏈路的P1 dB為30 dBm，能夠產(chǎn)生大于30 dBm的功率信號，可以實(shí)現(xiàn)的增益范圍為10.6～40.4 dB，效率可達(dá)到42%.因此，該功率放大器可以產(chǎn)生RFID閱讀器發(fā)射機(jī)所要求的信號.此外，利用本設(shè)計方法可以進(jìn)行功率放大器的拓展，以滿足更多功率放大器應(yīng)用場合的需求.

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Design of power controllable amplifier for UHF RFID reader

LI Jian-xiong1，SONG Shan-lin1，ZHAO Ke1，XING Mei-en2，ZHANG Qi-long1，CHEN Ming-sheng1
（1.School of Electronic and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Production &Technology Department，Huabei Oil Communication Co，Renqiu 062550，Hebei Province，China）

A power amplifier suitable for the UHF RFID reader transmitter is proposed.Two-stage power amplifiers are used in the design.The first level power amplifier uses the numerical control gain amplifier ADL5240，while the second level power amplifier uses the ADL5605，and the operating frequency range is 902—928 MHz.The testing results show that in the center frequency of 915 MHz，the power amplifier can generate signal greater than 30 dBm and achieve efficiency of 42%，the scope of the gain is 10.6—40.4 dB.The design can meet the requirement of the UHF RFID reader transmitter for signal.

RFID；reader；power amplifier；gain

TP311

A

1671－024X（2016）04－0064－06

10.3969/j.issn.1671-024x.2016.04.011