基于ADS的超高频射频识别系统前置级功放设计

苏军英 李迎迎

(1.安阳职业技术学院，河南 安阳 455000，2.河南师范大学，河南 新乡 453007)

基于ADS的超高频射频识别系统前置级功放设计

苏军英1 李迎迎2

(1.安阳职业技术学院，河南 安阳 455000，2.河南师范大学，河南 新乡 453007)

本文基于ADS仿真软件，采用多谐波双向牵引法设计了输入输出匹配网络，对完成匹配后的功率放大器利用ADS软件进行进行仿真优化，最终得到了一个应用于UHF RFID系统前置级的功率放大器，该放大器工作频段为902～928 MHz，在频率范围内绝对稳定，功率增益高达13.8 dB。仿真结果表明该功率放大器完全满足设计要求。

超高频;RFID系统;功率放大器;多谐波双向牵引

1 引言

随着超高频射频识别技术(UHF RFID)的快速发展，应用于UHF频段的RFID功放系统设计成为研究的热点，UHF RFID读写器需要功放系统将信号放大到足够的功率电平，以实现信号的发射，实现信号的远距离传输和保障可靠的接收。作为系统核心部件的的功率放大器，其性能好坏是制约系统性能和技术水平的关键部件，因此对射频功放的优化设计有着重要的意义［1］。对于线性器件而言，通过小信号下S参数可以推算出任何负载下的性能，但功率放大器在接近功率饱和时呈非线性特性，其产生的谐波会对功放性能产生一定影响。因此在设计功放匹配电路时，要求比较精确地估计谐波负载分量对功率放大器输出功率和效率的影响［2－3］。本文综合考虑了谐波分量以及源阻抗对输出功率、效率的影响，采用多谐波双向牵引技术，设计了应用于UHF RFID系统的高效率射频功率放大器。

2 多谐波双向牵引理论

首先介绍一种功放设计的迭代方法——谐波平衡法，该方法假定对于给定的正弦激励有一个可以被逼近到满意精度的稳态解。一般网络系统由线性网络和非线性网络组成，源和负载都被集中于一个多端口网络。如图1所示:

图1 谐波平衡电路描述

谐波平衡法建立了一个线性子网络端口电压(电流)和非线性子网络的电压(电流)误差函数的谐波平衡方程。在功放设计中通过谐波平衡仿真，能够获得频域电压和电流，并计算电路中电压和电流的频谱成份。谐波平衡法着眼于信号频域特征，擅长处理对非线性电路的分析。研究表明对于以功率放大器为代表的强非线性电路，谐波会极大地影响系统性能，因此这种设计方法不容易得到最佳设计结果。另外单向负载牵引技术，仅强调了负载阻抗对电路输出功率和效率的影响，却忽略了源阻抗对它的影响。由此可见在设计攻防的过程中很难在考虑谐波影响的基础之上，取得功率和效率之间的一致，实现有效的优化设计［4－5］。基于谐波平衡法和单向负载牵引技术的原理可以得出多谐波双向牵引方法。多谐波双向牵引方法采用ADS软件有序地搜功放寻Smith圆图上的每个区域，确定最佳负载的阻抗值。其算法流程如图2所示，其中ZL(kω0)是负载端口的第k次谐波负载;0ω0代表直流分量。

图2 多谐波双向牵引设计过程流程图

在进行多谐波双向阻抗牵引仿真时，每一步只有Z的一个分量在限定的阻抗平面里采样，其他的Z分量保持常量。同时，对每采一个样点都进行谐波平衡仿真，从而求解特定的电路响应。最后在Smith阻抗圆图上画出等功率和等效率曲线，选择适当的输入、输出阻抗准确地设计功率放大器。这里需要说明的是，要同时达到输出功率和功率附加效率这两个指标最佳是不可能的，本文以功率附加效率作为主要指标。多谐波双向牵引方法比单一的负载牵引有进一步的提高。它在考虑谐波影响的基础上，通过不断调节源阻抗和负载阻抗，找到最佳谐波输入、输出匹配阻抗。

3 功放仿真设计

设计指标:频率范围:902 MHz～928MHz;增益在中心频率915MHz大于13dB;输入、输出驻波比≤1.7;隔离度小于－19;在频率范围内绝对稳定。根据设计指标选择单片微波集成电路MMIC放大器AG101进行设计。砷化镓材料载流子迁移率高、禁带宽度大，因此采用砷化镓材料衬底的MMIC射频微波功率放大器具有低噪声、大功率、线性好、体积小及可靠性高等优点。AG101放大器具有高动态范围的通用增益，被广泛的应用于射频识别、移动基站的功放设计中，其工作频率从60 MHz到3000MHz，噪声系数较低。噪声系数对整个功放系统的影响很大，为了抑制后级噪声的放大要求前置级的噪声系数越小越好。由于搭建一个负载牵引测量系统的成本高且不易实现。分析功放特性参数最简单有效的方法就是扫描晶体管的S参数矩阵。本文采用ADS软件进行了功率放大器的仿真设计，ADS是进行射频功放设计常用的软件，具有专门针对S参数仿真的元件面板。本设计通过ADS软件对电路进行负载阻抗、源阻抗牵引和不同的谐波频率上进行负载牵引进行功放设计。根据数据手册提供的S参数，可以在ADS内创建AG101的S2P文件及模型，然后采用S参数仿真控件对进行功放的分析设计。

3.1 稳定性分析

稳定性是设计任何放大电路都必须考虑的问题。射频放大电路的稳定性是指放大电路抑制环境因素变化，维持正常放大特性的能力。定义有源器件S参数的表达式如下［5］:

基于以上定义，放大器稳定性判据有以下四种:

1)三参数判断准则，放大器无条件稳定需满足:

2)两参数判断准则(K－Δ参数)，放大器无条件稳定需满足:

K ＞1 |Δ|＜1

3)两参数判断准则(K－B参数)，放大器无条件稳定需满足:

K＞1 B＞0

4)单参数判断准则(μ参数)，放大器无条件稳定需满足:

μ＞1

3.2 匹配网络设计

几乎所有类型的放大器的匹配网络所解决的问题都是反射最小化的过程。匹配网络通常由微带电路、电感、电容和电阻构成，其好坏对成功地设计整个放大器来说起着决定性的作用。通过输入、输出匹配网络可以在放大器的输入输出端呈现一定的源反射系数和负载反射系数，从而获得某种最佳性能。按照多谐波双向牵引方法进行功率放大器匹配网络的设计，整个放大器的源、负载阻抗均按50欧姆来设计，对晶体管放大器端口进行阻抗变换，使之匹配到信号源或负载的50欧姆阻抗上。可以通过分立元件或者分布参数元件来实现匹配网络设计，分布参数匹配网络非常适合单片微波集成电路，工程上一般采用微带传输线。按照多谐波双向牵引设计过程流程以获得最佳输入输出阻抗，根据最佳输入输出阻抗值进行匹配网络设计。采用ADS附带的微带线计算工具对微带线尺寸进行计算。对输入输出匹配电路进行最终优化，在增益，输入输出匹配之间综合考虑，优化后的电路图最后得到的整体仿真电路原理图如图3所示

图3 功率放大器优化后的最终电路图

稳定性分析:在ADS中对器件AG101进行稳定性仿真，仿真结果如图3－2所示:

图4中对功放稳定性的进行了全面衡量，左半轴两个参量StabFact1和StabMeas1分别指的是稳定因子K和B，从仿真结果可以看出K大于1.1;B大于0.7。由两参数判断准则(K－B参数)准则可以得出该放大器是稳定的。同样也对于右半轴的一对稳定因子判断，可以看出Mu1大于1，MuPrime1大于1，因此该放大器在工作频段内是无条件稳定的。

图4中可以看出:dB(S11)和dB(S22)的仿真结果可以说明功率放大器的输入输出匹配情况，在工作频段内dB(S11)小于 －11.4，dB(S22)小于 －11.6，表明在所需频段内功放达到了很好的匹配。dB(S12)为隔离度反映了电路的隔离特性，dB(S12)在工作频段内小于－19.70，表明功放隔离度良好。

dB(S21)为功率放大器的增益，从仿真结果可以看出中心频率处增益为13.800dB，增益最大值约为13.83 dB，最小值约为13.76 dB，在整个工作频带上放大器的增益平坦度小于±0.05 dB;带内波动公式为0.02;输入驻波比小于1.74;输出驻波比小于 1.73。

4 结束语

基于ADS仿真软件，本文研究了一种应用于UHF频段RFID系统前置级的功率放大器的设计过程过程。仿真结果显示所设计的功率放大器工作频段内功放具有较高的功率增益以各项指标均达到了设计要求，本文对从事功率放大器的设计者来说具有一定的借鉴意义。

［1］张玉兴，赵宏飞.射频与微波功率放大器设计［M］.北京.电子工业出版社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］罗希，刘永强，蔡树军.采用功率测量负载牵引的阻抗匹配方法［J］.半导体技术，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－harmonic Bilateral Pull

TN722

A

1003－5168(2013)07－0004－02

苏军英(1985年—)，女，汉族，硕士研究生，助教，毕业于河南师范大学。