射频标签功率放大器设计论文正文

1、射频标签功率放大器设计摘要射频识别即RFID（Radio Frequency IDentification）技术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术，其基本原理是它通过空间耦合(交变磁场或电磁场) 或雷达反射的传输特性，实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体而且可以同时识别多个标签，操作快速方便。 按照设计要求，本次的电子标签的工作频率为13.56MHz，所使用的电子标签Mifarel为无源标签，并符合ISO 14443标准。由此设计了射频读写电路，微控制单元（MCU）电路，通信接口电

2、路，射频功率放大器电路等。其中的关键部分射频读写模块电路的设计，采用FM1702SL高度集成芯片，内部集成了模拟调制解调电路。而射频功率放大器电路，则采用廉价的MOS场效应管IRF51O，其功能是实现将射频信号的放大。设计一个合理的阻抗匹配网络的来匹配输入/输出信号，确保功率放大器的稳定工作。关键词：射频识别；电子标签；射频功率放大器；FM1702SL；MOS场效应管AbstractRadio Frequency Identification RFID (Radio Frequency IDentification is) is a radio frequency communication

3、to achieve non-contact automatic identification technology, its basic originally it through space coupling (alternating magnetic field or electromagnetic field) or the transmission characteristics of the radar reflectivity-freecontact information to pass the message to identify objects and access to

4、 relevant data, identify the work without human intervention, can work in a variety of harsh environments. RFID technology can identify the high-speed moving objects and cocoa also identify multiple tags, quick and easy to operate.In accordance with the design requirements, the operating frequency o

5、f the electronic tag is 13.56MHz, the use of electronic tags Mifarel passive tags, and complies with the ISO 14443 standard. Thus designed RFID reader circuit, the micro control unit (MCU) circuits, communications interface circuits, RF power amplifier circuit. The key part of the radio frequency re

6、ader module circuit design, to adopt FM1702SL highly integrated chips, the internal integration of analog modulation and demodulation circuit. RF power amplifier circuit, low-cost MOS FET IRF51O its function is to achieve the amplification of the RF signal. Design a reasonable impedance matching net

7、works to match the input / output signals to ensure the stability of the power amplifier.Keywords: RFID; electronic tags; RF power amplifierale ;FM1702SL;MOS field-effect transistor目录前言1第1章射频识别（RFID）系统21.1射频识别（RFID）技术2射频识别(RFID)标准体系2国内外RFID标准发展趋势21.2射频识别（RFID）系统的概述2第2章射频读写的设计与实现52.1FM1702SL芯片的简介52.2

8、射频读写系统框架72.3 FM1702SL与MCU的接口电路72.3.1 晶体振荡器8天线的设计9第3章射频功率放大器的设计103.1功率放大器的分类103.2高频功放部分电路设计133.3滤波匹配电路设计18匹配网络的分类183.3.2 滤波匹配网络设计203.4稳压电路的设计213.4 PCB的制作23第4章RFID系统的调制与解调244.1幅移键控（ASK）244.2 ASK调制方式的实现24小结25致谢26参考文献27附录:28前言随着经济的快速发展和科技的进步，特别是数字，网络加速的进程，集计算机技术，光学技术，网络技术，无线技术，通信技术于一体的高新技术，数据采集技术-射频识别技术

9、（RFID）自80年代中期开始兴起。沃尔玛，国际商用机器公司，惠普，微软，美国国防部，美国国家标准委员会的基础上进行的射频识别技术。射频识别系统逐步应用于物流领域，航空，邮政服务，交通，票务，金融，军事，医疗保险，跟踪，矿山，设备和资产管理。RFID技术经过多年的发展，已初步应用于生活的各个方面：为道路自动收费，快运包裹处理；为可视化的库存管理的制造业；以农牧为管理的水果和蔬菜、羊等等，以及跟踪与研究野生动物的保护；技术也被用于门禁控制，图书馆管理，目标定位和跟踪，检查假冒和其他领域。我国在RFID技术的研究与应用方面也发展很快，LF和HF频段RFID标签芯片设计方面的技术比较成熟，HF频段方

10、面的设计技术接近国际先进水平，已经自主开发并应用于城市公共交通一卡通和我国第二代身份证等重大项目，而我国在超高频芯片的研发方面起步较晚比较薄弱。中国相关部门联合其他有关部门颁布“中国射频识别(RFID)技术政策白皮书”。白皮书本着科学性、前瞻性和指导性原则，为中国RFID技术与产业未来几年的发展提供系统性指南, 为RFID 技术在中国的发展提供了法律保障。国内企业如上海复旦微电子、大唐微电子等部门主要研究芯片设计与制造。国内集中于北京、上海、广东三地的主要厂商生产和研究RFID产品。而目前在中国大陆、香港、台湾等地，RFID的发展远远落后于美国及欧洲, 国内企业的市场占有率尚不足20% ,还有

11、很大的提升空间。从市场应用来看，最受到重视和发展最快的是频段为860960MHz的远距离超高频电子标签识别技术。而高频段(1356MHz)中远距离电子标签识别技术由于在物流等流通领域具有广阔应用前景，并且在发达国家已有较广的应用，而国内还处于近距离应用阶段。因而，研究并开发中远距离高频段的RFID系统意义深远。第1章 射频识别（RFID）系统1.1射频识别（RFID）技术射频识别即RFID（Radio Frequency IDentification）技术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术，其基本原是它通过空间耦合(交变磁场或电磁场) 或雷达反射的传输特性，实现无接触信息传递并通过

12、所传递的信息达到识别对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体而且可可同时识别多个标签，操作快速方便。 1.1.1射频识别(RFID)标准体系目前，世界一些知名公司各自推出了自己的很多标准，这些标准互不兼容，表现在频段和数据格式上的差异，这也给RFID的大范围应用带来了困难。目前全球有两大RFID标准阵营：欧美的Auto-ID Center与日本的Ubiquitous ID Center（UID）。前者的领导组织是美国的EPC环球协会，旗下有沃尔玛集团、英国Tesco等企业，同时有IBM、微软、飞利浦、Auto-ID Lab等公司提供技术支持

13、。后者主要由日系厂商组成。EPC 系统是一种基于EAN/UCC 编码的系统，作为产品与服务流通过程信息的代码化表示, EAN/UCC 编码具有一整套涵盖贸易流通过程各种有形或无形产品所需的全球惟一标识代码，包括贸易项目、物流单元、服务关系、商品位置和相关资产等标识代码。欧美的EPC标准采用UHF频段，为860MHz930MHz，日本RFID标准采用的频段为2.45GHz和13.56MHz；日本标准电子标签的信息位数为128位，EPC标准的位数则为96位。其中EPC 定义了电子物品编码的结构和甚高频的空气接口以及通讯的协议，而日本的组织Ubiquitous ID，定义了UID编码结构和通信管理协

14、议。日本的Ubiquitous ID Center标准在标签方面的发展，始于20世纪80年代中期的实时嵌入式系统TRON。TEngine是其中核心的体系架构。1.1.2国内外RFID标准发展趋势目前常用的RFID国际标准主要有用于对动物识别的ISO 11784和11785，用于非接触智能卡的ISO 10536(Close coupled cards)、ISO 15693(Vicinity cards)、ISO 14443 (Proximity cards)，用于集装箱识别的ISO 10374等。目前在我国采用的两个RFID技术标准为：IS0 14443，ISO 15693。ISO 14443和

15、IS0 15693标准在1995年开始操作，其完成则是在2000年之后，二者皆以13.56MHz交变信号为载波频率。ISO 15693读写距离较远，而ISO 14443读写距离稍近，但应用较广泛。1.2射频识别（RFID）系统的概述1）射频识别（RFID）系统的组成对于不同的应用目的和应用环境，系统的组成会有所不同。最基本的射频识别系统构成主要由电子标签、阅读器、天线三个部分组成。（1）电子标签：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码。电子标签中存有约定格式的电子数据, 附着在物体上标识目标对象。（2）阅读器：根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理

16、中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元共同组成。（3）天线：在电子标签和读写器间以射频信号的形式传递电子标签的数据信息。52）射频识别（RFID）系统工作原理RFID 阅读器向一定范围的空间发射射频信号，当RFID标签到阅读器的射频场，标签天线会收到一定范围内的RFID阅读器发送的射频信号，并获得感应电流，从而为RFID芯片提供能量，芯片将通过为存储在芯片内部的信息读写器发送射频信号的内置天线，读/写设备的解调接收到的信号和解码，发送到计算机系统，进行数据处理根据阅读器与电子标签之间的能量感应方式来看大致上可以分成：感应耦合（Inductive Coupling) 及后向散射

17、耦合（Backscatter Coupling）两种。一般低频的RFID大都采用第一种式，而较高频大多情况下采用第二种方式。3）射频识别（RFID）系统的分类在射频识别系统中，读写器电子标签的作用距离可以用于划分系统。根据作用距离，可以将射频识别系统划分为3类：密耦合系统、遥耦合系统和远距离系统。（1）密耦合具有很小作用距离(典型值在lcm之内)的射频识别系统称之为紧耦合系统。为了正常工作，必须把这种系统的应答器插入阅读器中，或者是放置在一种事先规定的表面上。紧耦合系统不仅可采用电感式耦合，也可采用磁场式耦合。从理论上讲，它可以工作在从直流到30 MHz范围内的任意频率上，这是因为应答器工作时

18、不必发射电磁波。这种耦合方式能够提供较大的能量，甚至可以为耗电流较大的微处理器供电。紧耦合系统应用于安全性要求较高、但对作用距离要求不大的应用场合中，例如电子门锁系统或非接触式计数用的IC卡系统。 （2）遥耦合具有写读功能的、作用距离可达1 m的系统称为遥控耦合系统。几乎所有的这种系统都是采用电感(磁)式耦合，目前，在市场上所提供的射频识别系统中至少有90都属于电感(磁)耦合系统。遥耦合系统也可以分为两类：近耦合系统和疏耦合系统。其中，近耦合系统的作用距离为15cm，疏耦合系统的作用距离为1m。遥耦合系统的发射频率，可以使用135kHz以下的频率，也可以是6.75MHz、13.56MHz以及2

19、7.125MHz。（3）远距离系统作用距离大于l m的射频识别系统称之为远距离系统。所有远距离系统都是采用电磁波方式工作在超高频和微波范围内。这类系统根据其物理功能原理被称之为反向散射射频系统。远距离系统利用电磁耦合的非接触式电子标签和阅读器天线辐射远场空间信息的传输射频信道进行工作，使用微型芯片工作，如果要提供足够的能量给电子标签，就必须添加一个二次电池。二次电池是不提供能量给电子标签和读写器之间的数据传输，而只是提供能量给微型芯片，为了读写存储数据。通常情况下，射频识别系统阅读器发送的频率基本上划归三个范围：（1）低频（30kHz 300kHz）；（2）中高频（3MHz 30MHz）；（3

20、）超高频（300MHz 3GHz）或微波（>3GHz）。典型的工作频率有低频125kHz与134.2kHz、高频13.56MHz与27.12MHz、超高频433Mhz、860MHz930MHz、2.45GHz、5.8 GHz等。 从应用概念来说，射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率。低频段射频标签主要用于短距离、低成本的应用中，典型应用有：动物识别、容器识别、工具识别等；中高频段射频标签由于可方便地做成卡状，典型应用包括：电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）等。超高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，典型应用包括：移动车辆识别、电子身份证、仓储

21、物流应用等。本次设计的射频标签功率放大器的工作频率为13.56MHz,相应电子标签卡为无源卡。读卡器产生的射频信号通过天线辐射出电磁场，这种磁场穿过天线横界面和周围的空间。当标签处于磁场中的时候，通过电感耦合，电子标签的天线线圈上产生一个高频交流电压，从而使得标签获得了工作电源。而通过电子标签内部电路参数的改变，会反作用于读卡器天线的电压变化，实现ASK调制（负载调制）。第2章射频读写的设计与实现2.1FM1702SL芯片的简介FM1702SL是复旦微电子股份有限公司开发的，是基于ISO14443标准设计的非接触式IC卡专用芯片,该芯片采用0.6微米CMOS EEPROM工艺，可以支持ISO1

22、4443 typeA协议，内部有标准的加密算法。芯片只需少量的外围电路就可以工作，因为其内部集成了模拟调制解调电路, FM1702SL芯片的数字电路具有TTL、CMOS 两种电压工作模式，可以支持SPI接口。特别适合应用计费系统的ISO 14443标准，比如水，电，煤气表等。该芯片的三路电源都可适用于低电压。此次设计主要采用FM1702SL芯片来实现。1） FM1702SL的特点:（1).模拟电路的集成度较高（2).作用距离最大可达10cm （3).包含512byte的EEPROM （4).包含64byte的FIFO （5).软件控制的power down模式 （6).一个可编程计时器 （7)

23、.一个中断处理器 （8).启动配置可编程 （9).数字，模拟和发射模块的电源都是独立的2） FM1702SL的功能框图与引脚图:图2.1 功能框图与引脚图3） FM1702SL的引脚表说明：表2.1 FM1702SL的引脚表引脚序号引脚名称引脚描述1OSCIN晶振输入：fosc = 13.56MHz 2IRQ中断请求：输出中断源请求信号3MFIN串行输入：接收满足ISO14443协议的数字串行信号4TX1发射口1：输出经过调制的13.56MHz信号5TVDD发射器电源：提供TX1和TX2的输出能量6TX2发射口2：输出经过调制的13.56MHz信号7TVSS发射器地8CO控制信号：接低电平9C

24、1控制信号：接高电平10C2控制信号：接高电平11DVSS数字地12MISO主出从入：数据输出13SCK时钟信号14MOSI主出从入：数据输入15NSS接口选通：低电平有效16C3控制信号：接低电平17DVDD数字电源18AVDD模拟电源19AUX模拟测试信号输出：输出模拟测试信号，测试信号由TestAnaOutSel寄存器选择20AVSS模拟地21RX接收口：接收外部天线耦合过来的13.56MHz卡回应信号22VMID内部参考电压：输出内部参考电压注意：该管脚必须外接100nF电容23RSTPD复位及掉电信号：高电平时复位内部电路，晶振停止工作，内部输入管脚和外部电路隔离；下沿触发内部复位程

25、序24OSCOUT晶振输出2.2射频读写系统框架射频读写系统主要由MCU 、FM1702SL、RS232/I2C通信模块、ISP在线调试接口、功率放大器和天线组成。用户只需简单地通过选定的UART或IIC接口发送命令就可以对卡片进行操作, MCU根据接收到的命令来控制FM1702SL,并由FM1702SL驱动天线对MiFare卡进行读写操作。ISP接口MCU上位机FM1702SL功率放大器天线RS232/I2C通信图2.2 系统组成框图无源Mifare卡中包含一片容量为8K位的EEPROM，可分为16个扇区，而每个扇区又可为4块，每块有16个字节，每个扇区有独立的一个单独的passwordan

26、d存取控制。每张卡有独特的序列号，一般都是32位，内部含有通讯逻辑电路和加密控制逻辑。系统数据存储在无源Mifare卡中，读写模块的主要任务是将能量传输给Mifare卡。当进入系统工作区的Mifare卡，向读写器发送一组固定频率的电磁波，Mifare卡有一个LC串联谐振电路，频率和读/写设备发射频率相同，在电磁驱动下，LC谐振电路产生共振，从而使电容充电，电容的另一端，再有就是一个电子向导泵，到另一个内的存储电容的电容充电，当所积累的电荷达到2V时，电容可作为电源用于为其它电路的工作电压，可以发射数据或读取读写器的数据。通过改变天线驱动电压可以改变的最远距离通信。2.3 FM1702SL与MC

27、U的接口电路电路如图所示，MCU与FM1702SL是通过SPI总线通信的，采用中断工作模式。需要注意的是在FM1702SL复位后，必须进行一次初始化程序以便初始化SPI接口模式，而且可以同步MCU和FM1702SL的启动工作。图2.3 FM1702SL的接口电路图2.4 FM1702SL的接口电路2.3.1 晶体振荡器石英晶体振荡器的选频特性非常好，有一个极为稳定的串联谐振频率，而且品质因数也很高。只有频率等于晶体谐振频率的信号最容易通过，而其他频率的信号均会被晶体所衰减。本次设计采用13.56MHz无源晶振与FM1702SL芯片一起构成了自激振荡电路，该电路接通电源后无需外触发信号就能产生一

28、定频率和幅值的矩形脉冲和方波。图2.5 13.56MHz的晶振电路2.3.2天线的设计天线是非接触式IC卡读写模块的一个重要组成部分, 在读写模块和非接触式IC卡通信过程中, 天线用于产生能发射和接收射频信号的磁通量, 而磁通量用于向卡提供电源并在读写模块和卡片之间传送信息。因此, 在设计中要求天线线圈的电流最大, 以用于产生最大的磁通量, 并要确保有足够的带宽。因为FM1702SL的频率是13.56MHz, 属于短波段, 并且天线的最大尺寸在50cm左右。所以采用小环天线就可以了。本次设计采用的是圆形天线。品质因数Q是振荡回路处于谐振频率时电压和电流增大的量度。在设计天线电路时, 品质因数Q

29、占了一个重要地位。因为对于电感耦合式射频识别系统的读写器天线来说,品质因数的数值越高就会使得天线线圈中的电流强度也越大, 由此可改善对卡的传送功率。品质因数的计算公式为: （2-1）式中, f0是工作频率, Lcoil是天线的尺寸, Rcoil是天线的半径。通过品质因数可以很容易地计算出天线的带宽:（2-2）一般来说，质量越高，功率输出越高为一个特定大小的天线。但是过高的品质因素可能造成冲突的带通特性。由于这些原因，设计天线时，连接到一个50欧姆负载，品质因素应该是选为20或更少。FM1702SL 非接触式天线接口通过使用下表所列的3 个引脚。FM1702SL 通过TX1 和TX2输出经过调制

30、的13.56MHZ信号。根据寄存器的设置调制发送数据，发送一个信号经过天线匹配电路送到RX脚。FM1702SL内部接收信号检测和解调并根据寄存器的设定进行处理。然后将数据发送到串行接口。由微控制器进行读取。表2.2 FM1702SL 的天线接口引脚序号引脚名称引脚说明4TX1发射口16TX2发射口221RX接收口根据设计的要求，选择合适的器件，设计如下的天线电路原理图：图2.6 FM1702SL 的天线电路第3章射频功率放大器的设计本次设计中，除了基本的电子标签、阅读器、天线三个部分组成外，还必须在FM1702SL与天线之间加入射频功率放大器，因为有了这个器件能够发射更加强烈的射频信号输出到空

31、间中，可以为电子标签提供足够多的能量来完成识别过程。论文所设计的功率放大器部分框架如下图所示，因为前面的FM1702SL电路的输出阻抗和射频功率放大器（射频功率晶体管）输入阻抗不匹配，射频信号的射频功率放大晶体管必须先通过一个匹配网络。此外，该天线的阻抗是50欧姆，要与之相配，从而在射频功率放大器晶体管的输出端，还需要一个匹配网络的匹配。FM1702SL集成芯片放大器输入端滤波匹配放大器输出端滤波匹配50欧姆天线接口射频功率放大器图3.1射频功率放大器电路框图先回顾功率放大器的基础知识，结合本次论文设计的要求确定射频放大器电路形式及其参数性能。在通信系统中，需要一个有用的信号调制高频载波信号的

32、传输通过天线发射出去。高频载波信号产生的高频振荡器，正常情况下，高频振荡信号产生的高频振荡器功率很小，为符合要求的发射天线的发射功率，需要经过功率放大器后再发射出去，以便获得足够的输出功率，发射功率放大器电路称为射频功率放大器。3.1功率放大器的分类根据晶体管导通角的大小（即一个信号周期，导通角的一半是定义为导通角），射频功率放大器可以分为三类：甲类、乙类、丙类。甲类放大器晶体管在一个周期的信号传导，即导通角=180；乙类放大器晶体管在一期只有半年周期的传导，即，=90。；丙类放大器是引导时间小于半个周期，即，在传导的角度< 90。实践证明，丙类功率放大器的工作效率最低级，乙类效率比丙类

33、高一级，而甲类效率最高级；线性一般表现为甲类、乙类，丙类的基本无线性放大，所以经常甲乙类放大器称为线性放大器，丙类放大器称为非线性放大器。1) 甲类功率放大器原理甲类放大器电路，如图a所示，采用偏置电路,设置合适的静态工作点IDQ，以确保导通角=180。为了使输出功率能够达到最大，一般选择： （3-1）其中VQD和IDQ是晶体管所能承受的最大集电极一发射极电压和电流。在甲类功率放大器中，晶体管可以等效为受控的电流源，它的输出特性曲线如图b所示。图中a所示最佳负载电阻，甲类放大器最大输出信号电流幅度为，最大输出电压幅度为，最大输出功率为 （3-2）电源VDD供给功率为，所以甲类功率放大器的最大集

34、电极效率为： （3-3）由于晶体管趋于饱和、截止，实际效率会降低到30一40。(a) 甲类功率放大器典 (b) 甲类功放负载线和波形图3.2 甲类功率放大器及其输入输出特性2) 乙类功率放大器原理乙类功率放大器的导通角=90。在导通的半周期内，输出电流为半个正弦波，正弦波电压峰值近似为VDD。乙类放大器一般构成推挽式输出，输入信号反相，两管轮流导通，两个半波在负载上合成一个正弦波，所以仍视乙类功率放大器为线性放大器。射频电路中常采用如图b所示：乙类功率放大器的效率比甲类的高，在图b中，每管的半波电压最大幅度为VDD。假设变压器的初次级匝数比为N1:N2，每只管子的负载电阻为RL=n2RL，其中

35、。乙类推挽两管总输出功率，流过电源VDD的平均电流为。所以，图示中的乙类推挽功率放大器的效率为 （3-4）结论：乙类放大器的效率高于甲类放大器。当输入信号很大，管子趋于饱和、截止时，乙类放大器也将出现了非线性。为了改善趋于截止时出现的交越失真，可以采用甲乙类。甲乙类特征是为无信号时设置一个较小的静态偏置电流，使导通角略大于90°，具体如图a所示。当放大器的负载是电阻且阻抗匹配网络的带宽足够宽时，甲类、乙类放大器均属于宽带放大器。(a) 乙类功率放大器 (b)场效应管乙类放大器图3.3 乙类放大器及其输入输出特性3) 丙类功率放大器原理丙类功率放大器的特点是导通角小于90°、

36、非线性放大器，效率高。结合图中所示，对丙类功放的原理进行分析：(1)基极偏置基极偏置VBB使晶体管静态时截止，静态电流ICQ=IBQ=0。设输入电压为，为使晶体管导通，其幅度应满足(Vim+VBB)> Von， 即输入必须为大信号，输入回路方程。导通角 （注意VBB 可正可负）由此可见，基极偏置与输入信号幅度共同决定了导通角的大小。图3.4 C类放大器(2)集电极电流iC导通角q小于90°，则集电极电流为余弦脉冲 。余弦脉冲参数是导通角，脉冲最大幅度为iCmax。余弦脉冲所含频谱：Ico直流分量、基波分量、二次谐波分量。与脉冲幅度导通角有关结论：控制导通角可控制各分量大小。(3

37、)输出回路丙类功率放大器配有回路，回路一般采用LC谐振回路。因此，丙类功率放大器也称为谐振功率放大器。回路的作用是选频与阻抗变换，其中的中心频率与输入信号频率相同，带宽与输入信号频带宽度相同。假设将天线阻抗变换为放大器最佳负载Rp,丙类功率放大器回路两端的输出电压vc(t)仍为正弦波，其大小为： (3-5)而管子集电极电压为: （3-6）甲类放大器是线性放大器。为了保持晶体管持续导通的直流分量的存在，甲类放大器的工作效率在几种放大器类型中是最低。而由于晶体管趋于饱和与截止时的非线性，实际效率降低到30一40。乙类放大器一般做成互补的形式，这样提高了工作效率，理想情况下效率可以达到75，并且在放

38、大器输出端使用宽带变压器来实现与天线接口阻抗匹配。功率放大器从甲类到乙类再到丙类，通过减少导通角获得高效率，为兼顾大的输出功率和高的效率，C类放大器取60%-70%。结合上述分析，本次设计采用甲乙类功率放大器，兼顾了效率和线性度，并使用ASK调制方式进行解调。3.2高频功放部分电路设计本次采用MOS场效应管IRF51O设计高频功率放大器，实现对射频信号的放大作用。IRF510是INTERSIL公司生产的N沟道增强型MOS场效应管。不仅提供了更稳定的阻抗变化特性相对于普通双极型晶体管、场效应管来说，而且还具有较好的热稳定特性和抗辐射能力，可以获得比较好的线性和谐波抑制。对于甲乙类线性功率放大器来

39、说，如果使用场效应管，其偏置电路的设计要简单得多。下面是对部分电路环节进行分析：1)MOSFET的门电路阅读器的Tx输出是一个4欧姆方波。一个低通滤波器用于改造阅读器的输出阻抗MOS场效应管（Q1）的栅极阻抗。参考示意图如图所示，TP1是阅读器输出（约4.5 VP-P），输入到TP2低通滤波。在TP2电压等级增加是由于阻抗变化作为FET的栅极阻抗为14-j26欧姆。一个0.1 uF的电容交流耦合的Q1的栅极信号。图3.5MOSFET的门电路仿真的测试结果如下：图3.6 TP1是阅读器输出（约4.5 VP-P）图3.7 TP2低通滤波器输出（6.6 VP-P）图3.8 TP3栅极驱动电压（6.7

40、 VP-P）2)MOSFET栅极电路在场效应管工作前，应对其栅极偏压进行调整，两个栅极偏置电路，手动及自动偏压调整电路。放置一个100欧姆的电阻R14选择的手动偏置调整，同时放置在一个100欧姆的电阻R15，选择自动偏置调整。同样的电位器R20设置手动调整偏置，电位器R18设置自动偏置调整。通常情况下，栅极偏压为3.6±0.2伏。理想的情况下，栅极电压应设置等交流信号驱动，保持地上。 作为一个恒流稳压器U3的配置。 MOSFET Q2的改变当前从U3的电压，这反过来又设置在Q1的栅极偏置电压。在这里的好处是，Q2将自动调整到Q1栅极偏置需要纠正对环境温度的影响。图3.9 MOSFET

41、栅极电路3)功率放大器电位器R10用于设置漏极电压FET Q1的权力，这反过来又设置所需的输出功率水平。可调设定电位器R10从1到4瓦的输出功率水平。串联电感L7连同系列电容器C30和C38，并联电容器C32和C33，Q1的漏极匹配到50欧姆。电感L9和L10，电容C26和C29形成了一个12MHz的角频率的高通滤波器。电感L8，电容C40和C141的形式与15 MHz的角频率的低通滤波器。这两个过滤器一起形成一个BPF。输出滤波器是一个低通滤波器由L4和C41，C48，C34，和C9组成。输出低通滤波器提供了一个45度的相移一个50欧姆的过滤器。图3.10 功率放大器发送和接收到的信号共享一

42、个低通滤波器（L4和关闭帽），并为D2提供一个固定的45°相移的外部AM检波电路。由于发射信号经过此过滤器，它的相移是45°。电子标签响应其13.56 MHz信号的相移也是由L4产生，这反过来产生的总相移90°给二极管D2。仿真的测试结果如下：图3.11 TP4 功率放大器输出电压约(35.6Vp-p)图3.12 TP5输入到高通滤波电压约(41.8 Vp-p)图3.13 TP6输入到低通滤波电压约37.0 Vp-p图3.14 TP7输入到功率放大接收最后低通滤波电压40.0 Vp-p图3.15 TP8 功率放大到C9 的电压40.0 Vp-p图3.16 TP9功

43、率放大到C10 的电压40.0 Vp-p3.3滤波匹配电路设计为了实现功率最大传输，必须使源阻抗与负载阻抗相匹配，通常是在信号源与负载之间放置无源匹配滤波网络。匹配网络的选择准则，只要负载阻抗不是一个纯虚数，都可以选择一个无耗网络进行匹配。在选择匹配网络时，考虑的主要因素有以下4个方面：（1）简单性。选择满足性能指标的简单设计。简单的匹配结构价格便宜、可靠、损耗小。（2）带宽。任何一个网络都只能在单一频率上实现匹配（3）可实现性。可实现性既要考虑生产工艺的可实现性，又要考虑尺寸要求的可实现性。（4）可调整性。变化的负载需要可调整的匹配网络。3.3.1匹配网络的分类1) L型网络XcRL Re

44、XL Vs XL Vs Re Xc RL L形匹配网络由2个电抗性元件组成，也称为双元件匹配网络。图示为常用的两种L形匹配网络。已知电路中信号源阻抗为Re，负载阻抗为RL，它们均为纯电阻，电路工作频率为分f0。 (a) Re>RL (b) Re<RL图3.17 L型网络的两种常见形式(a) 图所示，当信号源的阻抗Re大于负载阻抗RL时，它的品质因数，器件参数为， （3-7）(b) 图所示当信号源的阻抗Re小于负载阻抗RL时，它的品质因数，器件参数为， （3-8）根据对2种典型电路的分析：当源阻抗(Re)和负载阻抗(RL)定下来后，L型网络的品质因数就可以确定下来，这可能会使滤波性能

45、不符合设计的要求，但如果采用三个电抗元件阻抗的T型网络和型网络就不会有这个问题，进一步对T型网络和型网络分析。2) T型网络图示是对T型网络的进行分析。T型网络可以理解为两个L型网络合成的，14图中的源电阻Rs经过Xsl和Xpl组成的L型网络，中间的R为假想电阻，而且依据L型网络的特性可以知到R>Rs。负载电阻RL经过Xp2和Xs2，中间的R为假想电阻，可以以推出有R>RL。只要满足Xp1与Xp2的阻值相等，那么这个T型匹配网络的负载电阻RL和源电阻Rs之间的阻抗匹配就完成了。Xs2 Xs1 1Xs11Xs2 RL Rs Xp RL Xp1 Rs R Xp2 图3.18 T型匹配网

46、络Xsl和Xpl共同组成的品质因数Q1为: （3-9）Xs2和Xp2共同组成的品质因数Q2为： （3-10）T型网络的带宽由品质因数Q1和Q2共同决定，但是由较大的那个来主导。为此在确定Q值时，可以依据带宽所要达到的要求来确定较高的那个Q值。下面给出计算公式14：（1）当Rs<RL时，, （3-11）（2）当Rs>RL时，, （3-12）3) 型网络Xs Rs Xp1 Xp2 RL Xs1 Xs2 Rs Xp1 Xp2RL R 同T型匹配网络类似的还有型匹配网络，下图所示为型匹配网络的典型电路：图3.19 型匹配网络下面是不同情况下给出的计算公式14：（1）当Rs<RL时，,

47、 （3-13）（2）当Rs>RL时，, （3-14）3.3.2 滤波匹配网络设计综合对上述三种匹配网络的分析，本次设计采用T型网络和型网络相结合，这么组合的目的可以有效地滤除不需要的高次谐波分量，从而提高效率。根据要求求得各个器件的参数值：L1=4.7uH；L2=4.7uH；C1=0.01uF；C5=0.01uF；C3=C4=100uF；C6=C7=100uF；C2=C8=200uF；R1=R4=1K；R3=R6=10K；实际电路图如下:图3.20 滤波匹配电路3.4稳压电路的设计考虑到功放工作时，电源电压可能会发生波动而影响直流偏压电路，因此集成稳压电路要正确选择。本次的稳压电路采用2

48、个LM317和1个LM1085A。LM317的输出电压范围是1.2V 至37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。图3.21典型电路图决定LM317输出电压的是电阻R1,R2的比值,假设R2是一个固定电阻.因为输出端的电位高,电流经R1, R2流入接地点. LM317的控制端消耗非常少的电流,可忽略不计.所以, 控制端的电位是I×R2,又因为LM317 控制端, 输出端接脚间的电位差为1.25 V,所以Out(输出）的电压是:  （3-15）接下来,计算I: Out与ADJ接脚间的

49、电位差为1.25 V,电阻R1.电流I是: 1.25/R1。本次设计电路如下图，图中U1的输出电压为： （3-16）图3.22 实际整流电路LM1085是一个低压差正向电压系列在3A的负载与1.5V的最大压差稳压器电流。它具有相同的引脚作为国家半导体公司的行业标准的LM317。可调版本的LM1085的发展，在1.25V参考电压（基准）之间的输出和调整终端。典型电路如图所示，该电压通过电阻R1产生恒定电流I1。这种恒定电流然后流经R。由此产生的压降，R2增加了参考电压设置所需的输出电压。图3.23 典型电路本次设计的实际电路图如下:图3.24 实际整流电路3.4 PCB的制作1） PCB板前期制

50、作若想制作一块成功的PCB板，前期需要做大量的准备工作。首先必须建立电路原理图，然后分析性能，排除错误。在PROTEL99SE软件上根据原理图和实际元器件的封装将每个元器件封装好，接着创建网络表，最后导入网络表。最关键的是PCB的布线环节，布线的好坏直接关系到PCB板的成败。最后是对布线作两到三次的调整，减小干扰，优化布线。至此PCB板制作的前期工作基本完成。图3.25高频功率放大器的PCB图2） PCB板后期制作和元器件焊接将PCB文件打印在热传印纸上，仔细检查没有错误后，接着是将PCB图通过热传印机转印到覆铜板上。此处一定要注意必须完全转印上去，若个别地方转印效果不好可用水笔略作修改。最后

51、是将转印完毕的覆铜板放到腐蚀剂里面腐蚀，最后还需对PCB板打孔，上松香水等操作。PCB板制作完成后，再根据电路原理图确定所需的电子元器件清单，将各元器件按PCB位置放好进行焊接。电路板焊接好以后，首先要做的是检查电路板是否存在短接，虚焊等情况。还需对有问题的地方进行修该。3）硬件电路调试首先在电路板通上电以前一定要确保电路的正确性，尤其是不能出现电源短路的情况。否则，电路有被烧坏的危险。电路调试时可以先将小模块调试成功。比如，对自动增益控制模块进行单一调试，确保符合要求时，再往系统板上搭建。第4章RFID系统的调制与解调RFID系统通常采用数字调制方式传送信息，用数字调制信号（包括数字基带信号

52、和已调脉冲）对高频载波进行调制。数字调制方式有幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。RFID系统中较多的是采用ASK调制方式。4.1幅移键控（ASK）“幅移键控”又称为“振幅键控”，记为ASK。也有称为“开关键控”（通断键控）的，ASK是一种相对简单的调制方式。   在“幅移键控”方式中，当出现“1”时接通振幅为A的载波，出现“0”时关断载波，这相当于将原基带信号（脉冲列）频谱搬到了载波的两侧。 幅移键控（ASK）可以看做是模拟信号中的调幅，而与载频信号相乘的却是二进制数码。移幅就是把频率、相位当作常量，把振幅作为变量，通过载波的幅度来传递信

53、息比特，输出后的2ASK波形来表达的。二进制振幅键控（2ASK），由于调制信号只有0或1两个电平，相乘的结果相当于将载频关断，或者接通，而它的实际意义是假如调制的数字信号为“1”时，传输载波；而调制的数字信号为“0”时，不传输载波。4.2 ASK调制方式的实现（1）副载波负载调制首先用基带编码的数据信号调制低频率的副载波，可以选择振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、或相移键控（PSK）调制作为副载波调制的方法。副载波的频率是通过对高频载波频率进行二进制分频产生的。然后用经过编码调制的副载波信号控制电子标签线圈并接负载电阻的接通和断开，即采用经过编码调制的副载波进行负载调制，以双重调制方式传

54、送编码信息。 （2）负载调制电子标签的固有谐振频率与阅读器的发送频率相符合，则处于读卡器天线的交变磁场中的电子标签就能从磁场获得最大能量。同时电子标签线圈的阻抗变化对读卡器线圈造成反作用，引起读卡器线圈回路变换阻抗ZT的变化造成读卡器天线的电压变化。二进制编码信号控制电子标签的接通和断开，使数据以调幅的方式从电子标签传输到读卡器上，就实现了负载调制。在读卡器端，对阅读器天线上的电压信号进行包络检波，实现数据的解调回收。电感耦合式射频识别系统的负载调制有着与读卡器天线高频电压的振幅键控（ASK）调制相似的效果。小结本文首先对射频识别(RFID)技术及其标准体系进行了简要的介绍，然后针对遥耦合的中频段RFID系统及其读写器进行了研究，并采用MOS场效应管IRF510设计了高频功率放大器。整个电路在调试过程中，运行稳定，基本达到了设计任务的要求。经实验测试，对射频信号起到了放大作用。总结整个设计过程，收获如下：1、通过本次毕业设计，使我受到综合运用所学知识解决实际问题的训练，也能提高我的