UHF RFID阅读器中功率可控放大器的设计

李建雄，宋山林，赵　可，邢梅恩，张奇龙，陈明省

（1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津　300387；2.华北油田通信公司生产技术部，河北任丘　062550）

UHF RFID阅读器中功率可控放大器的设计

李建雄1，宋山林1，赵可1，邢梅恩2，张奇龙1，陈明省1

（1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津300387；2.华北油田通信公司生产技术部，河北任丘062550）

设计了一种应用于UHF RFID阅读器发射机中的功率放大器.采用2级功放，第1级功放采用数控增益放大器ADL5240，第2级采用放大器ADL5605，工作在902～928 MHz的频率范围内.实测结果显示：在915 MHz的中心频率处，此功率放大器能够产生大于30 dBm的信号，增益范围为10.6～40.4 dB，效率可达到42%.该设计能够满足发射机对信号的要求.

射频识别；阅读器；功率放大器；增益

射频识别（RFID）是一种无需物理接触就能对目标物体进行识别的技术，从20世纪90年代开始兴起，并得到了迅速发展和广泛应用［1］.它利用无线射频信号通过电磁场的空间耦合实现对物体的自动识别.阅读器、标签及应用软件系统是RFID系统的3个必备部分［2］.

射频功率放大器是阅读器系统中非常重要的部分，把前面的小信号放大后送到天线发射出去［3］，其性能关乎整个阅读器系统是否能正常工作.例如，阅读器读写距离的长短与其输出功率有很大关系，阅读器的功耗也与其发射的效率息息相关［4］.但是阅读器中常用的功率放大器存在增益低、效率低和控制不灵活等诸多问题，制约了RFID技术的发展.本文设计了一款增益和效率折中、且增益灵活可控的功率放大器.在功率放大器的各项指标中，效率和线性度是相互冲突的，2个指标不可能都达到最好［5］.比如A类放大器的线性度很高，但效率却很低；B类、C类、E类放大器效率较高，但信号失真严重［6］.因此在设计时必须根据需要折中选择.

1　功率放大器的主要参数

功率放大器主要用来放大射频信号至需要的功率以使接收机能够接收到信号，功率放大器的基本性能参数包括1 dB功率压缩点、失真、功率增益和邻信道功率比等，这些对于功率放大器的设计都是至关重要的［7］.

（1）1 dB功率压缩点P1dB：当放大器的输入功率较小时放大器工作在线性区域，随着输入功率增大，放大器逐渐变得非线性，增益缓慢下降，即被压缩.增益减小1 dB时的实际输出功率即P1 dB，如图1中的P1 dB点位置.因此可得出公式（1）：

式中：Pin为输入功率（dB）；G为功率放大器的增益（dB）.

图1　功率放大器的非线性Fig.1　Nonlinear of power amplifier

（2）失真：有源器件的非线性是引起功放失真的主要原因［8］，主要包括谐波失真、幅度调制对相位调制的影响（AM to PM Conversion）、互调失真.谐波失真指的是放大器输入单频信号时，原信号的各次谐波伴随着原有信号在输出端也被放大，放大的谐波会对其他频带产生干扰.AM to PM Conversion指S21相移根据输入信号变化而变化［9］.互调失真如图2所示，是指输入双音信号时输出端产生的和、差频率信号.互调失真信号距离载波信号太近以致于无法用滤波器滤除，因此对系统影响较大.通常电路用三阶互调失真来表征线性度，三阶互调失真2f1-f2和2f2-f1离f1和f2太近无法滤除.放大器的非线性可用三阶截断点PIP3来表征，PIP3定义为基频功率与三阶互调失真信号功率的虚拟延长线交点处的输出功率大小，如图1中的PIP3点位置.

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

（3）功率增益：是指输出信号功率和输入信号功率的比值.这是功率放大器作为一种放大器件最重要的指标［10］.

（4）邻信道功率比（ACPR）：放大器是非线性器件，通过放大器的单频点信号的频谱会发生“扩散”，可以认为相位噪声变差.ACPR定义为中心频率为fc、带宽B1内的信号功率与中心频率为fc-f0、带宽B2内的信号功率的比值，即发射频率信道的平均功率和相邻频率信道的平均功率的比值［11］.

2 　功率放大器的链路预算

本设计采用2级功放，第1级功放采用数控增益放大器ADL5240，第2级采用放大器ADL5605.

ADL5605的工作频率范围能够满足系统频率和带宽要求.在典型工作频率943 MHz时具有23 dB特征增益，具有很高的线性度和较低的交调失真，P1dB在30 dBm左右.ADL5605的输入功率在7 dBm以下时有很好的线性度.

ADL5240是数控增益放大器（VGA）芯片，由一个放大器（AMP）和一个数控衰减器（DSA）所构成，具有串行接口和并行接口.100 MHz～4 GHz的工作带宽，满足系统频率和带宽要求.在典型工作频率2.14 GHz时，内部放大器增益为19.7 dB，输出P1 dB为19.5 dBm，对应的输入1 dB压缩点为0 dBm.内部衰减器具有6 bit、0.5 dB的衰减步长和0～31.5 dB的衰减范围.

2个放大器级联的框图如图3所示.信号依次通过VGA的放大器、VGA的衰减器和放大器ADL5605.功率放大器链路的输出功率若要大于30 dBm，根据公式（1）可以得到放大器ADL5605的输入功率至少需要8 dBm.再考虑链路的其他损耗，ADL5605的输入功率应该略大于8 dBm.DSA的衰减范围是0～-31.5 dB，因此DSA的输入功率在8～39.5 dBm范围内都可以满足要求.ADL5240放大器的增益为19.7 dB，要达到至少8 dBm的输出功率，输入功率应在-11.7 dBm以上.又由于1 dB压缩点的限制，要保持高的线性度，输入功率要在1 dBm以下，因此放大链路的输入功率可以为-11.7～1 dBm.

图3　功放链路预算Fig.3　Calculation of power amplifier link

3 　功率放大器的实现

输入和输出端口的阻抗匹配以及两级功放芯片之间的阻抗匹配是该功率放大器的设计重点.负载阻抗和源阻抗共轭匹配是阻抗匹配的根本目的，只有这样才能获得最大的传输功率，而且馈线上功率损耗达到最小［12］.匹配的好坏直接影响到放大器的增益，如果连接特定阻抗的负载还容易引起振荡，利用匹配网络进行良好匹配可以避免放大器发生振荡.印制电路板（PCB）的布局布线如图4所示，射频线附近的地打过孔形成共面波导，射频线附近不完整的地面用100 nF电容连接以提供最短的射频信号回流路径，减少电磁干扰.2级功放之间留出匹配电路的焊盘，以备后续调试使用.

图4　功率放大器设计版图Fig.4　Layout of power amplifier

4 　功率放大器电路的测试

由于实际元件的非理想性，实际结果会与理想结果有所偏差，需对功率放大器进行测试，分析结果及遇到的问题，并根据测试结果不断调整和优化，使性能达到最优.所用到的测试仪器有频谱分析仪、网络分析仪、示波器、信号发生器和程控稳压电源，如图5所示.

图5　实验室测试环境Fig.5 Testing environment of laboratory

功率放大器电路测试的主要指标包括输出功率和增益.利用网络分析仪确定匹配元件的实际值，使输入阻抗和输出阻抗都匹配到50 Ω，图6所示为功率放大器的实物图.

图6　功率放大器实物图Fig.6　Power amplifier

首先测试VGA芯片ADL5240，输入端和输出端加上隔直电容，用网络分析仪的两个端口分别接芯片的输入端和输出端，测得在915 MHz频率下的输入阻抗为90+j*30 Ω，输出阻抗为48-j*1.5 Ω.可见输入阻抗与50 Ω相差甚远，并不能良好匹配，因此需要为输入端添加匹配网络.在ADS仿真软件中创建匹配网络，将输入阻抗90+j*30 Ω匹配到50 Ω，如图7所示.

图7　VGA输入匹配网络拓扑Fig.7　Input matching network of VGA

由于仿真使用的元件是理想的电容电感，而实际中使用的器件特性并不理想，具有寄生参数，再加上传输线的寄生参数影响，因此仿真的元件值并不能直接当作实际元件值来使用.但从仿真中可以确定匹配的方向，即先并联一个电感消掉阻抗的虚部，再串联一个电容把实部匹配到50 Ω.在实际匹配中需要尝试不同的电容电感值，用网络分析仪观察Smith圆图上阻抗的位置，使匹配过程按照仿真的趋势，结果尽量靠近50 Ω.

结合ADS软件仿真结果并借助于网络分析仪实际调试，确定匹配网络实际需要的电容为3.9 pF，实际的电感为18 nH.加上匹配网络后的测试结果如图8和图9所示.

图8　　DSA控制数据都为“0”时的阻抗Fig.8　Impedance as DSA control data are all zero

图9　　DSA控制数据都为“1”时的阻抗Fig.9　Impedance as DSA control data are all one

由图8和图9可以看出，当数据接口全为0时输入阻抗为54.7-j*5 Ω，输出阻抗为41.8+j*5 Ω；当数据接口全为1时输入阻抗为54-j*3.4 Ω，输出阻抗为51.5-j*20.8 Ω.可以确定输入端口的阻抗匹配良好，回波损耗都在-20 dB以下.输出端阻抗根据衰减量大小有所不同，但回波损耗也都在-10 dB以下.

测试芯片ADL5605，用网络分析仪的2个端口分别接芯片的输入端和输出端，测得在915 MHz频率下的输入阻抗为68.5+j*18.6Ω，输出阻抗为3.5+j*27Ω，如图10所示.相较50Ω.的目标阻抗仍有差距，尤其是输出阻抗和50 Ω相差较大，回波损耗S22接近0 dB，说明信号几乎全部反射.S21参数表示增益为14.5 dB，与数据手册给出的23 dB增益有很大差距.

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

由于输出阻抗差距较大，首先把3.5+j*27Ω输出阻抗匹配到50Ω，利用ADS软件仿真得到匹配网络的拓扑，然后用网络分析仪进行调试，得到的输出端匹配网络和测试结果如图11与图12所示.此时，输出阻抗为65-j*1.9 Ω，输入阻抗为78.6+j*28.4 Ω.输出端的回波损耗为-24 dB，可见输出端已达到良好匹配.此时的增益为22.5 dB，相比之前的14.5 dB增益要好很多.由此得出，之前较低的增益主要是由于输出端阻抗不匹配造成的.

图11　ADL5605输出端匹配网络Fig.11　Output matching network of ADL5605

输出阻抗匹配良好，接下来只需把输入阻抗从78.6+j*28.4 Ω匹配到50 Ω即可.实际的匹配电路与测试结果如图13和图14所示，此时输入阻抗为57+j*6 Ω，输出阻抗为59-j*11 Ω.输入输出端口的回波损耗都在-20 dB左右，增益为22.6 dB，与手册给出的23 dB增益基本相同，说明已经达到良好匹配.

图1　ADL5605输出匹配测试结果Fig.12　Testing results of ADL5605 output matching

图13　　ADL5605输入阻抗匹配网络Fig.13　Matching network of ADL5605 input impedance

图14　　ADL5605输入阻抗匹配测试Fig.14　Testing results of ADL5605 input impedance matching

将整个功放链路用电容连接起来进行整体测试，由于2个功率放大器级联后的增益约为40 dB，输出功率会很大，因此在功放链路末端加一个26 dB的衰减器，以防止损坏网络分析仪.分别设置VGA的数据接口为全“0”和全“1”进行测试，结果如图15所示.当VGA数据口全为“1”时，衰减量为0，功放链路的增益为两个功率放大器的叠加，测得为14.4 dB.扣除末端保护衰减器26 dB，功率放大器链路的实际增益为40.4 dB，与理论值基本相等.当VGA数据口全为“0”时，增益为-15.4 dB，扣除末端衰减器-26 dB，功率放大器链路的增益是10.6 dB.因此，该功率放大器链路可以实现10.6～40.4 dB的增益范围.

图15　功放链路增益测试Fig.15　Gain test of power amplifier

给功放链路输入一个915 MHz的单频信号，功率为-20 dBm.频谱分析仪接功放链路输出端口，测试功放链路的增益范围，测试结果如表1所示.链路增益根据VGA数据接口的变化而变化，增益分辨率约为0.5 dB，可以看作连续变化.

表1　功放链路输出功率Tab.1　Output power of power amplifier

表2列出了输入功率设为-10 dBm时功率放大器输出功率和效率的测试结果.由表2可以看出，随着增益的逐渐增大，输出功率从4.58 dBm增大到30.45 dBm，功率放大器的效率也逐渐提高.在输出30.45 dBm功率时效率约为42%.输出功率越低效率越低的原因是功放链路中ADL5240的数控衰减器承担了输出功率.

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

把VGA数据口全设置为“1”，功放链路的增益最大.设置不同的输入功率，测量其对应的输出功率值，多次测量求平均值.在MATLAB中把测得的输出功率平均值画图，结果如图16所示.

图16　功放输出功率结果Fig.16　Output power of power amplifier

由图16可以得到，本功率放大器的P1dB为30dBm.

输入功率增大到一定程度之后，杂散信号将随之产生［10］.因此，信号在进入天线前需要通过一个带通滤波器以滤除杂散信号［13］.

5 结语

本设计采用2级功放，第1级功放采用数控增益放大器ADL5240，第2级采用放大器ADL5605，工作在902～928 MHz的频率范围内.对功率放大器的性能进行了相关测试和分析，结果表明，在915 MHz的中心频率处，该功率放大器链路的P1 dB为30 dBm，能够产生大于30 dBm的功率信号，可以实现的增益范围为10.6～40.4 dB，效率可达到42%.因此，该功率放大器可以产生RFID阅读器发射机所要求的信号.此外，利用本设计方法可以进行功率放大器的拓展，以满足更多功率放大器应用场合的需求.

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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