CN202197251U - 一种功率放大系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种功率放大系统，应用于读卡器系统，该功率放大系统包括：前置级功率放大器、驱动级功率放大器和末级功率放大器；所述前置级功率放大器和驱动级功率放大器通过∏型衰减器进行级联；所述末级功率放大器由两个功率放大器通过正交耦合器组成平衡式放大结构；所述末级功率放大器一端通过正交耦合器与所述驱动级功率放大器级联，另一端连接另一正交耦合器。该功率放大系统能够满足读卡器系统对功率放大系统的高增益、高线性度和低增益平坦度的要求。
Description
【技术领域】
本实用新型涉及电气设备，特别涉及一种功率放大系统。
【背景技术】
近些年，随着860～960MHz频段即超高频(UHF)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频段读卡器的两个关键性能就是读卡距离远和读卡连续性好。
读卡器系统主要由接口部分、控制部分和射频部分等三大部分组成。其中射频部分是整个读卡器系统设计中最难，也是最关键的部分，直接决定着整个读卡器性能的好坏。而作为射频系统核心的射频功率放大器的设计是射频系统设计中最关键的部分，它的设计好坏直接决定着读卡器的读卡距离远近，读卡连续性的好坏这两项主要性能。
另外，由于读卡器系统自身的特点，对功率放大系统的设计提出了不同的要求：
首先，为了节约成本，读卡器系统中的发射混频器多数采用无源混频器，无源混频器的一个最大缺点就是混频器输出功率较小，即功率放大系统输入的已调信号功率很小，一般为-10dBm左右；同时为了读卡距离远，克服射频信号在空中传输的衰减，一般要求功率放大系统的输出功率达到32dBm左右。加上前置级和驱动级间∏型衰减器衰减的10dB，这就要求整个功率放大系统的功率增益要达到52dB，即对功率放大系统的设计提出了高增益的要求。
其次，读卡器的发射采用普通调幅波的调制方式，已调波的射频包络完全包含了读卡器发射给卡片的全部信息，如果经放大后，产生非线性失真，导致射频包络丢失了部分信息，则卡片不能正确地识别读卡器发送的信息，从而导致卡片与读卡器之间的通信终止。这就要求功率放大系统具有良好的线性度，即对功率放大系统的设计提出了高线性度的要求。
最后，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250KHz为间隔从902MHz跳到928MHz。在这种工作模式下，要求读卡器的功率放大系统带内增益波动必须小。如果功率放大系统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。结果，读卡器的读卡距离性能和读卡连续性受到了严重的影响。这就要求功率放大系统具有低的增益平坦度，即对功率放大系统的设计提出了低增益平坦度的要求。
【实用新型内容】
本实用新型提供了一种功率放大系统，满足读卡器系统对功率放大系统的高增益、高线性度和低增益平坦度的要求。
具体技术方案如下：
一种功率放大系统，其特征在于，该功率放大系统包括：前置级功率放大器、驱动级功率放大器和末级功率放大器；
所述前置级功率放大器和驱动级功率放大器级联；
所述末级功率放大器由两个功率放大器并联组成；
所述末级功率放大器一端通过正交耦合器与所述驱动级功率放大器级联，另一端连接另一正交耦合器。
由以上技术方案可以看出，本实用新型提供的功率放大系统采用三级功率放大器，前置级功率放大器使功率放大系统达到高线性度的要求，驱动级功率放大器为功率放大系统实现高增益奠定基础，末级功率放大器组成平衡式放大结构，使得整个功率放大系统在工作频带内实现了超低的增益平坦度。
【附图说明】
图1为本实用新型提供的功率放大系统的示意图；
图2为本实用新型提供的仿真优化后输入输出驻波比曲线图；
图3为本实用新型提供的功率放大系统增益平坦度的仿真曲线图；
图4为本实用新型提供的功率放大系统实际的增益测试曲线；
图5为本实用新型提供的功率放大系统实际的隔离度测试曲线。
【具体实施方式】
为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述。
本实用新型提供的功率放大系统，主要针对目前广泛应用的UHF读卡器系统，如图1所示，此功率放大系统可以由三级组成：前置级功率放大器101、驱动级功率放大器102和末级功率放大器103。
前置级功率放大器101采用最高线性度设计，对整个功率放大系统线性度指标的提高起着关键性的作用，达到低噪声和高线性度的要求。
驱动级功率放大器102内部包含两级级联的放大器，用于达到高增益的要求，可实现高达27dB的增益，为整个功率放大系统实现52dB的高增益奠定了坚实的基础。
末级功率放大器103由两个功率放大器1031和1032并联组成，两端分别连接正交耦合器1041和1042，从而形成平衡式放大结构，这种设计方法使得整个功率放大系统在工作频带内实现了超低的增益平坦度，同时也能够达到安全冗余的功能，即其中一个功率放大器1031出现故障，另一个功率放大器1032仍能够保证整个功率放大系统正常工作，其中，末级功率放大器103与驱动级功率放大器102通过正交耦合器1041级联。
上述正交耦合器1041和1042可以采用3dB的正交耦合器。
前置级功率放大器101、驱动级功率放大器102和末级功率放大器103分别连接偏置电路，分别为各级功率放大器提供直流偏置。
其中，与前置级功率放大器101连接的偏置电路可以采用5V的偏置电压，与驱动级功率放大器102连接的偏置电路可以采用5V和9V的偏置电压，与末级功率放大器103连接的偏置电路可以采用9V和-1V的偏置电压。
其中，读卡器系统一般要求功率放大系统的增益可在一定的范围内进行调节，在本实用新型的基础上，可以通过在前置级功率放大器101和驱动级功率放大器102间插入衰减器105，通过软件控制衰减器105，从而在一定的范围内，对功率放大系统的增益进行调节。即前置级功率放大器101和驱动级功率放大器102间通过衰减器105级联。该衰减器105可以为模拟衰减器或数字衰减器，若不需要输出功率可调，作为一种优选的实施例，可以采用∏型衰减器105。
该功率放大系统的性能参数可以为：中心频率为915MHz，带宽为26MHz，输出功率为32dBm，增益为52dB。
在调试本实用新型提供的功率放大系统时，可以先将前置级功率放大器101和驱动级功率放大器102分别单独调试匹配好，然后插入∏型衰减器105进行级联，级联后不要重新进行调试；然后末级功率放大器103通过正交耦合器1041连接驱动级功率放大器102，末级功率放大器103与正交耦合器1041和1042组成平衡式放大结构，实现13dB的增益；采用具有温度补偿特性的直流偏置电路，为各级功率放大器提供合适的直流偏置电压。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。
下面通过ADS2008仿真软件对本实用新型提供的功率放大系统进行S参数的仿真优化，仿真优化过程为选择各器件的S参数模型，在整个工作频段内进行S参数仿真、优化。图2为优化后的输入输出驻波比曲线图，图中分别在两个频段进行S参数仿真、优化，902MHz～928MHz为放大器的工作频段，需要满足增益、增益平坦度、驻波比和隔离度等特性。800MHz～1000MHz频段主要是针对稳定性仿真，不仅要保证放大器在工作频段内绝对稳定，而且要保证在其它频段也是绝对稳定的。优化目标设为：在800MHz～1000MHz频段内，稳定因子K≥1.05和稳定性测量因子B1≥0.1；在工作频段内，输入输出驻波比≤1.5；增益平坦度≤±0.5；放大器的增益dB(S21)≥42dB；放大器的隔离度dB(S12)≤-90dB。图中的m2和m3分别表示在工作频段内，放大器的输入驻波比最大为1.116，放大器的输出驻波比最大为1.104，可见实现了输入输出驻波比小于等于1.5的优化目标。
图3为上述S参数仿真优化结果中的增益平坦度曲线图。图中的m4表示在工作频段内，放大器最大增益偏离平均值0.07dB，m2表示最小增益偏离平均值为-0.073dB，可见实现了增益平坦度小于等于±0.5的优化目标。
根据仿真优化获得的器件参数，可以采用原理图绘制软件或者制版软件绘制功率放大器系统的原理图。根据所绘制的原理图本实用新型提供的功率放大系统在进行PCB制板时，可以选择FR-4板材，该FR-4板材的相对介电常数为4.6，参考层的厚度为15.7mil，整个功率放大系统的尺寸可以为46×109×1.6mm。
在对实物进行测试时，例如采用惠普公司的HP8753C矢量网络分析仪对放大器的增益、隔离度参数进行测试。把网络分析仪的中心频点设置在915MHz，带宽设为30MHz，输出功率设定为待测放大器所需的输入功率值，按Marker键在工作频带内设四个标记点，分别是902MHz、915MHz、922MHz和928MHz，所需设置设定完成后，开始对网络分析仪进行双端口校准，用开路、短路以及50欧负载校准头进行校准，校准完成后保存校准数据，接下来可以开始放大器的测量。测试前需给各级功率放大器提供合适的直流偏置电压，使各级功率放大器正常工作。矢量网络分析仪的最大输入功率为26dBm，如果放大器的输出功率过大，需要在放大器的输出端加一定衰减量的衰减器(衰减器的衰减要大于放大器的额定输出功率与矢量网络分析仪的最大可承受功率的差值)。把网络分析仪的一个端口即S11端口接到放大器的输入端，另一个端口即S22端口接到放大器的输出端。
功率放大系统的增益测试结果如图4所示，测试结果表明放大器增益最小为46.15dB，加上前置级和驱动级间∏型衰减器衰减的10dB，整个功放系统增益最小为56.15dB。功率放大系统的隔离度测试结果如图5所示，图中标记显示在工作频段内放大器的隔离度最大为-111.035dB。实际测试结果表明，功率放大系统的增益和隔离度均能满足系统所要求的增益大于52dB，隔离度小于等于-90dB的设计要求。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型保护的范围之内。
Claims (7)
1.一种功率放大系统，应用于读卡器系统，其特征在于，该功率放大系统包括：前置级功率放大器、驱动级功率放大器和末级功率放大器；
所述前置级功率放大器和驱动级功率放大器级联；
所述末级功率放大器由两个功率放大器并联组成；
所述末级功率放大器一端通过正交耦合器与所述驱动级功率放大器级联，另一端连接另一正交耦合器。
2.根据权利要求1所述的功率放大系统，其特征在于，所述前置级功率放大器、驱动级功率放大器和末级功率放大器分别连接偏置电路，各偏置电路分别为所述前置级功率放大器、驱动级功率放大器和末级功率放大器提供直流偏置。
3.根据权利要求2所述的功率放大系统，其特征在于，所述前置级功率放大器连接的偏置电路采用5V的偏置电压；
所述驱动级功率放大器连接的偏置电路采用5V和9V的偏置电压；
所述末级功率放大器连接的偏置电路采用9V和-1V的偏置电压。
4.根据权利要求1所述的功率放大系统，其特征在于，所述前置级功率放大器和所述驱动级功率放大器之间通过衰减器级联。
5.根据权利要求4所述的功率放大系统，其特征在于，所述衰减器为模拟衰减器或数字衰减器。
6.根据权利要求4所述的功率放大系统，其特征在于，所述衰减器为∏型衰减器。
7.根据权利要求1所述的功率放大系统，其特征在于，所述正交耦合器为3dB的正交耦合器。
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