基于ADS的超高頻射頻識別系統(tǒng)前置級功放設(shè)計

蘇軍英 李迎迎

(1.安陽職業(yè)技術(shù)學院，河南 安陽 455000，2.河南師范大學，河南 新鄉(xiāng) 453007)

基于ADS的超高頻射頻識別系統(tǒng)前置級功放設(shè)計

蘇軍英1 李迎迎2

(1.安陽職業(yè)技術(shù)學院，河南 安陽 455000，2.河南師范大學，河南 新鄉(xiāng) 453007)

本文基于ADS仿真軟件，采用多諧波雙向牽引法設(shè)計了輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，對完成匹配后的功率放大器利用ADS軟件進行進行仿真優(yōu)化，最終得到了一個應(yīng)用于UHF RFID系統(tǒng)前置級的功率放大器，該放大器工作頻段為902～928 MHz，在頻率范圍內(nèi)絕對穩(wěn)定，功率增益高達13.8 dB。仿真結(jié)果表明該功率放大器完全滿足設(shè)計要求。

超高頻;RFID系統(tǒng);功率放大器;多諧波雙向牽引

1 引言

隨著超高頻射頻識別技術(shù)(UHF RFID)的快速發(fā)展，應(yīng)用于UHF頻段的RFID功放系統(tǒng)設(shè)計成為研究的熱點，UHF RFID讀寫器需要功放系統(tǒng)將信號放大到足夠的功率電平，以實現(xiàn)信號的發(fā)射，實現(xiàn)信號的遠距離傳輸和保障可靠的接收。作為系統(tǒng)核心部件的的功率放大器，其性能好壞是制約系統(tǒng)性能和技術(shù)水平的關(guān)鍵部件，因此對射頻功放的優(yōu)化設(shè)計有著重要的意義［1］。對于線性器件而言，通過小信號下S參數(shù)可以推算出任何負載下的性能，但功率放大器在接近功率飽和時呈非線性特性，其產(chǎn)生的諧波會對功放性能產(chǎn)生一定影響。因此在設(shè)計功放匹配電路時，要求比較精確地估計諧波負載分量對功率放大器輸出功率和效率的影響［2－3］。本文綜合考慮了諧波分量以及源阻抗對輸出功率、效率的影響，采用多諧波雙向牽引技術(shù)，設(shè)計了應(yīng)用于UHF RFID系統(tǒng)的高效率射頻功率放大器。

2 多諧波雙向牽引理論

首先介紹一種功放設(shè)計的迭代方法——諧波平衡法，該方法假定對于給定的正弦激勵有一個可以被逼近到滿意精度的穩(wěn)態(tài)解。一般網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由線性網(wǎng)絡(luò)和非線性網(wǎng)絡(luò)組成，源和負載都被集中于一個多端口網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示:

圖1 諧波平衡電路描述

諧波平衡法建立了一個線性子網(wǎng)絡(luò)端口電壓(電流)和非線性子網(wǎng)絡(luò)的電壓(電流)誤差函數(shù)的諧波平衡方程。在功放設(shè)計中通過諧波平衡仿真，能夠獲得頻域電壓和電流，并計算電路中電壓和電流的頻譜成份。諧波平衡法著眼于信號頻域特征，擅長處理對非線性電路的分析。研究表明對于以功率放大器為代表的強非線性電路，諧波會極大地影響系統(tǒng)性能，因此這種設(shè)計方法不容易得到最佳設(shè)計結(jié)果。另外單向負載牽引技術(shù)，僅強調(diào)了負載阻抗對電路輸出功率和效率的影響，卻忽略了源阻抗對它的影響。由此可見在設(shè)計攻防的過程中很難在考慮諧波影響的基礎(chǔ)之上，取得功率和效率之間的一致，實現(xiàn)有效的優(yōu)化設(shè)計［4－5］?；谥C波平衡法和單向負載牽引技術(shù)的原理可以得出多諧波雙向牽引方法。多諧波雙向牽引方法采用ADS軟件有序地搜功放尋Smith圓圖上的每個區(qū)域，確定最佳負載的阻抗值。其算法流程如圖2所示，其中ZL(kω0)是負載端口的第k次諧波負載;0ω0代表直流分量。

圖2 多諧波雙向牽引設(shè)計過程流程圖

在進行多諧波雙向阻抗牽引仿真時，每一步只有Z的一個分量在限定的阻抗平面里采樣，其他的Z分量保持常量。同時，對每采一個樣點都進行諧波平衡仿真，從而求解特定的電路響應(yīng)。最后在Smith阻抗圓圖上畫出等功率和等效率曲線，選擇適當?shù)妮斎?、輸出阻抗準確地設(shè)計功率放大器。這里需要說明的是，要同時達到輸出功率和功率附加效率這兩個指標最佳是不可能的，本文以功率附加效率作為主要指標。多諧波雙向牽引方法比單一的負載牽引有進一步的提高。它在考慮諧波影響的基礎(chǔ)上，通過不斷調(diào)節(jié)源阻抗和負載阻抗，找到最佳諧波輸入、輸出匹配阻抗。

3 功放仿真設(shè)計

設(shè)計指標:頻率范圍:902 MHz～928MHz;增益在中心頻率915MHz大于13dB;輸入、輸出駐波比≤1.7;隔離度小于－19;在頻率范圍內(nèi)絕對穩(wěn)定。根據(jù)設(shè)計指標選擇單片微波集成電路MMIC放大器AG101進行設(shè)計。砷化鎵材料載流子遷移率高、禁帶寬度大，因此采用砷化鎵材料襯底的MMIC射頻微波功率放大器具有低噪聲、大功率、線性好、體積小及可靠性高等優(yōu)點。AG101放大器具有高動態(tài)范圍的通用增益，被廣泛的應(yīng)用于射頻識別、移動基站的功放設(shè)計中，其工作頻率從60 MHz到3000MHz，噪聲系數(shù)較低。噪聲系數(shù)對整個功放系統(tǒng)的影響很大，為了抑制后級噪聲的放大要求前置級的噪聲系數(shù)越小越好。由于搭建一個負載牽引測量系統(tǒng)的成本高且不易實現(xiàn)。分析功放特性參數(shù)最簡單有效的方法就是掃描晶體管的S參數(shù)矩陣。本文采用ADS軟件進行了功率放大器的仿真設(shè)計，ADS是進行射頻功放設(shè)計常用的軟件，具有專門針對S參數(shù)仿真的元件面板。本設(shè)計通過ADS軟件對電路進行負載阻抗、源阻抗牽引和不同的諧波頻率上進行負載牽引進行功放設(shè)計。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊提供的S參數(shù)，可以在ADS內(nèi)創(chuàng)建AG101的S2P文件及模型，然后采用S參數(shù)仿真控件對進行功放的分析設(shè)計。

3.1 穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性是設(shè)計任何放大電路都必須考慮的問題。射頻放大電路的穩(wěn)定性是指放大電路抑制環(huán)境因素變化，維持正常放大特性的能力。定義有源器件S參數(shù)的表達式如下［5］:

基于以上定義，放大器穩(wěn)定性判據(jù)有以下四種:

1)三參數(shù)判斷準則，放大器無條件穩(wěn)定需滿足:

2)兩參數(shù)判斷準則(K－Δ參數(shù))，放大器無條件穩(wěn)定需滿足:

K ＞1 |Δ|＜1

3)兩參數(shù)判斷準則(K－B參數(shù))，放大器無條件穩(wěn)定需滿足:

K＞1 B＞0

4)單參數(shù)判斷準則(μ參數(shù))，放大器無條件穩(wěn)定需滿足:

μ＞1

3.2 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

幾乎所有類型的放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)所解決的問題都是反射最小化的過程。匹配網(wǎng)絡(luò)通常由微帶電路、電感、電容和電阻構(gòu)成，其好壞對成功地設(shè)計整個放大器來說起著決定性的作用。通過輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)可以在放大器的輸入輸出端呈現(xiàn)一定的源反射系數(shù)和負載反射系數(shù)，從而獲得某種最佳性能。按照多諧波雙向牽引方法進行功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，整個放大器的源、負載阻抗均按50歐姆來設(shè)計，對晶體管放大器端口進行阻抗變換，使之匹配到信號源或負載的50歐姆阻抗上?？梢酝ㄟ^分立元件或者分布參數(shù)元件來實現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，分布參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)非常適合單片微波集成電路，工程上一般采用微帶傳輸線。按照多諧波雙向牽引設(shè)計過程流程以獲得最佳輸入輸出阻抗，根據(jù)最佳輸入輸出阻抗值進行匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。采用ADS附帶的微帶線計算工具對微帶線尺寸進行計算。對輸入輸出匹配電路進行最終優(yōu)化，在增益，輸入輸出匹配之間綜合考慮，優(yōu)化后的電路圖最后得到的整體仿真電路原理圖如圖3所示

圖3 功率放大器優(yōu)化后的最終電路圖

穩(wěn)定性分析:在ADS中對器件AG101進行穩(wěn)定性仿真，仿真結(jié)果如圖3－2所示:

圖4中對功放穩(wěn)定性的進行了全面衡量，左半軸兩個參量StabFact1和StabMeas1分別指的是穩(wěn)定因子K和B，從仿真結(jié)果可以看出K大于1.1;B大于0.7。由兩參數(shù)判斷準則(K－B參數(shù))準則可以得出該放大器是穩(wěn)定的。同樣也對于右半軸的一對穩(wěn)定因子判斷，可以看出Mu1大于1，MuPrime1大于1，因此該放大器在工作頻段內(nèi)是無條件穩(wěn)定的。

圖4中可以看出:dB(S11)和dB(S22)的仿真結(jié)果可以說明功率放大器的輸入輸出匹配情況，在工作頻段內(nèi)dB(S11)小于 －11.4，dB(S22)小于 －11.6，表明在所需頻段內(nèi)功放達到了很好的匹配。dB(S12)為隔離度反映了電路的隔離特性，dB(S12)在工作頻段內(nèi)小于－19.70，表明功放隔離度良好。

dB(S21)為功率放大器的增益，從仿真結(jié)果可以看出中心頻率處增益為13.800dB，增益最大值約為13.83 dB，最小值約為13.76 dB，在整個工作頻帶上放大器的增益平坦度小于±0.05 dB;帶內(nèi)波動公式為0.02;輸入駐波比小于1.74;輸出駐波比小于 1.73。

4 結(jié)束語

基于ADS仿真軟件，本文研究了一種應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)前置級的功率放大器的設(shè)計過程過程。仿真結(jié)果顯示所設(shè)計的功率放大器工作頻段內(nèi)功放具有較高的功率增益以各項指標均達到了設(shè)計要求，本文對從事功率放大器的設(shè)計者來說具有一定的借鑒意義。

［1］張玉興，趙宏飛.射頻與微波功率放大器設(shè)計［M］.北京.電子工業(yè)出版社2006:36－40.

［2］P Kenington.High － linearity RF amplifer design［M］.Norwood:Artech house，2000.

［3］Frederick H Raab，A sbeck P，Cr ipps S，et al.Power amplifiers and transmitters for RF and microwave［J］.IEEE Transactions on Microw ave T heory and Techniques，2002，50(3):814 －825.

［4］Jiang Liu，Dunl eavy L.P.Ex ploration of power amplifier perormance using a digital demodulation loadpull measurement procedure［J］.A R FTG Conference，2005，17:4 －5

［5］羅希，劉永強，蔡樹軍.采用功率測量負載牽引的阻抗匹配方法［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2008，33(10):927 －929.

Based on the ADS，the input/output matching network was got by using the multi－ harmonic bilateral pull method，then simulation and optimization was conducted in ADS，a prestage power amplifier applied in UHF RFID system was finally got，the PA worked at 902 ～928 MHz，in the Frequency Range was unconditionally stable，power gain was up to 13.8 dB.The simulation results show that the power amplifier fullly meet the design requirements.

Ultra High Frequency(UHF);RFID System;Power Amplifier;Multi－h(huán)armonic Bilateral Pull

TN722

A

1003－5168(2013)07－0004－02

蘇軍英(1985年—)，女，漢族，碩士研究生，助教，畢業(yè)于河南師范大學。