基于5.8G RFID前置LNA精確設(shè)計(jì)

夏非

摘 要： 為滿足遠(yuǎn)距離RFID的需要，本文研究了其中低噪聲放大器的設(shè)計(jì)方法， 介紹了低噪聲放大器的特點(diǎn)及低噪聲放大器的網(wǎng)絡(luò)組成和性能指標(biāo)，給出了應(yīng)用一種網(wǎng)絡(luò)匹配法設(shè)計(jì)的低噪聲放大器， 并對(duì)電路進(jìn)行了S參數(shù)和NF的仿真的建議。結(jié)果證明這種應(yīng)用NWO工具設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)匹配電路具有方便快捷的優(yōu)點(diǎn)， 符合5.8G電子標(biāo)簽的基本要求。

關(guān)鍵詞： RFID 低噪聲放大器（LNA） Smith圓 噪聲系數(shù)

1.引言

低噪聲放大器（Low-noise Amplifier，簡(jiǎn)稱(chēng)LNA）是處于RFID接收機(jī)最前端的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗及遙控遙測(cè)系統(tǒng)。它的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號(hào)，降低噪聲干擾，提高接收信號(hào)靈敏度，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)，其噪聲、線性和匹配等性能直接影響整個(gè)接收系統(tǒng)的性能，筆者著重對(duì)實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)和提高電路的線性度和穩(wěn)定性、降低噪聲系數(shù)及改善電路的輸入/ 輸出匹配特性的方法進(jìn)行了分析研究[1][3]。其設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)：工作頻率5.795GHz-5.815GHz；噪聲系數(shù)<1.8 dB；增益2 dB-12 dB，回波損耗≥ 18 dB；最大工作電流≤ 120 mA。

2.低噪聲放大器設(shè)計(jì)

LNA設(shè)計(jì)模型如圖1所示：

所選元件ATF-54143 是一款高增益、寬動(dòng)態(tài)范圍、低噪聲的E-PHEMT（增強(qiáng)模式偽形態(tài)高電子遷移率晶體管），只需要一個(gè)正的電壓偏置，器件體積小，電路集成度高，特別適用于450 MHz — 6 GHz 頻段的通信系統(tǒng)。而且根據(jù)器件性能，在漏電流IDS為60 mA時(shí)能得到最高的三階截取點(diǎn)（IP3）和最低噪聲系數(shù)（NF），在漏電壓VDS為3 V 時(shí)，有較高的增益[2][3]。

2.1直流偏置電路的設(shè)計(jì)

首先，以ATF-54143 的柵極電壓VDS 作為掃描參數(shù)對(duì)元件的靜態(tài)工作點(diǎn)（漏極電流IDS 和漏極電壓VDS）進(jìn)行仿真。再根據(jù)選定的VDS（3 V），IDS（60 mA），VGS（0.56 V）， 用公式（1）（2）（3）計(jì)算各偏置電阻值，其公式來(lái)自器件說(shuō)明書(shū)。

此偏置電路的穩(wěn)定系數(shù)K和B如圖3、圖4所示：

2.2輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

輸入匹配網(wǎng)絡(luò)一般為獲得最小噪聲而設(shè)計(jì)，所以設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)首先考慮噪聲系數(shù)。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)由元件的最佳噪聲反射系數(shù)Topt為主決定，以求得噪聲系數(shù)NF 降到最小[1]，根據(jù)S 參量仿真得到的最佳噪聲系數(shù)匹配條件，其輸入匹配網(wǎng)絡(luò)如圖5所示，其噪聲系及增益如圖6所示。

2.3 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

輸出匹配網(wǎng)絡(luò)一般是為獲得最大功率和最低駐波比而設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)首先考慮最大功率及最低駐波比[2]，根據(jù)S 參量仿真得到的最佳輸出匹配，其輸出匹配網(wǎng)絡(luò)及響應(yīng)如圖7，圖8所示。

前置LNA總電路設(shè)計(jì)如圖9，響應(yīng)如SMITH圓圖10所示。

3.結(jié)語(yǔ)

低噪聲放大器作為RFID的前端，具有廣泛的應(yīng)用性。在RFID中低噪聲放大器是必不可少的，本文設(shè)計(jì)的LNA能滿足短距離RFID小信號(hào)放大要求，可以用在RFID射頻電路前端和天線相連，但是設(shè)計(jì)仍然存在需要改進(jìn)的地方。如果在穩(wěn)定范圍內(nèi)，適當(dāng)增加帶寬，改善增益平穩(wěn)度，降低噪聲系數(shù)，采用無(wú)源及有源器件，成本會(huì)更低，整個(gè)電路的性能會(huì)更好。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘少祠，官伯然.2. 4GHz 低噪聲放大器的研究[J].Journal of Hangzhou Dianzi University Aug. 2011：21-23.

[2]吳國(guó)增， 楊穎. 低噪聲放大器（LNA）的網(wǎng)絡(luò)匹配設(shè)計(jì)方法研究[J].Electronic Component &Device Applications Vol.9 No.1 Jan. 2009：48-50.

[3]http：//www.52rd.com/Blog/Archive_Thread.asp， ATF-54143[M].放大管的規(guī)格及應(yīng)用：168-201.

[4]藍(lán)慶華，姜福廣，等.5.8GHz微波接收機(jī)電路設(shè)計(jì)[J].Application of Electronic Technique， 2012（05）：53-55.