物聯(lián)網(wǎng)RFID射頻系統(tǒng)中放大器的設(shè)計(jì)與測(cè)試

高雅潔+葉建芳+袁璇+曹雪婷+王鈺+胡永泉

摘要：針對(duì)低噪聲放大器的設(shè)計(jì)，本文中通過(guò)使用安捷倫公司的 ADS 仿真軟件進(jìn)行電路仿真，使用Altium公司推出的Altium Designer 6進(jìn)行PCB板的生成，最后使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，完成設(shè)計(jì)2.1GHz-2.4GHz的工作頻率的低噪聲放大器，并且經(jīng)過(guò)測(cè)試，表明該低噪聲放大器性能良好，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。同時(shí)本文也介紹了微帶線的設(shè)計(jì)和電路穩(wěn)定性分析方法。

關(guān)鍵詞：RFID；低噪聲放大器；S波段

中圖分類(lèi)號(hào)：TN710 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）05-0187-03

1 引言

S波段是頻率范圍處于1.55GHz—3.4GHz的電磁波的頻段，其應(yīng)用十分廣泛，藍(lán)牙、雷達(dá)等均使用這個(gè)范圍。RFID（射頻識(shí)別），俗稱(chēng)電子標(biāo)簽，是物聯(lián)網(wǎng)感知層的關(guān)鍵技術(shù)，其關(guān)鍵模塊是接收端的低噪聲放大器（LNA）和發(fā)射端的功率放大器（PA），但由于系統(tǒng)對(duì)最大發(fā)射功率的限制，無(wú)法通過(guò)無(wú)限提高發(fā)射功率來(lái)改善通信距離。因此，則采用盡可能降低接收機(jī)的噪聲的辦法。本文就是主要研究作為射頻接收最前端的第一級(jí)放大器，其增益及噪聲性能對(duì)接收系統(tǒng)整體的噪聲性能都起著決定性作用。

2 低噪聲放大器設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)及有源器件選擇

設(shè)計(jì)指標(biāo)：2.1GHz-2.4GHz的工作頻率，0.6左右的噪聲系數(shù)，以及大于15dB的增益。

軟件仿真時(shí)使用的是ADS 軟件，使用的芯片為ATF54143芯片模型，可根據(jù)官網(wǎng)提供的ATF54143的datasheet，了解該芯片基本特性，適當(dāng)選擇Id和Vds使得有適合的最小輸出噪聲Fmin和增益Gain。

2.2 直流分析

直流分析決定了LNA的晶體管的工作狀態(tài)，該步驟可更好地分析芯片ATF54143的工作狀態(tài)。使用控件DC-FET并根據(jù)ATF54143的datasheet設(shè)置好控件DC-FET參數(shù)，之后連接電路并仿真可得直流分析波形，可讀出在VGS=0.5Vde曲線上位于VDS=3V時(shí)的IDS=0.25mA，與datasheet給出的特性曲線綜合考慮，決定選取當(dāng)Vds=3V，Ids =30mA時(shí)作為晶體管的直流工作點(diǎn)。此時(shí)，頻率為2GHz時(shí)，F(xiàn)min幾乎為最小值，且增益接近16.5dB。

2.3 偏置分析

偏置分析決定了偏置電流及靜態(tài)工作點(diǎn)，使用控件DA_FET Bias和5V直流電源對(duì)芯片進(jìn)行分析，并根據(jù)選定好的直流工作點(diǎn)設(shè)置好控件DA_FETBias的參數(shù)，連接電路并仿真，利用ADS自帶的“Transistor Bias Design”功能，自行選擇合適的偏置結(jié)構(gòu)后，ADS將自動(dòng)生成偏置子電路并自動(dòng)計(jì)算好偏置中的分壓電阻值，按照偏置子電路圖中的電阻值進(jìn)行偏置電路原理圖的繪制，并加入相關(guān)空間。繪制好偏置電路原理圖后，利用ADS中的“Annotate DC Solution”功能，將電路的DC成分分解并且顯示出來(lái)。

2.4 穩(wěn)定性分析

射頻電路中，一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)意味著具有對(duì)在收到擾動(dòng)時(shí)自身工作狀態(tài)不會(huì)發(fā)生變化或者即使變化也會(huì)在擾動(dòng)消失后回到原來(lái)的狀態(tài)的能力。因此，系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)于LNA來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。通常情況下利用K值來(lái)判斷LNA的穩(wěn)定性，當(dāng)K>1時(shí)，可以認(rèn)為該LNA無(wú)條件穩(wěn)定。

在偏置的原理圖中加入DC Block（隔直模塊）、DC_Feed和Term端口對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)放置MaxGain（顯示增益頻率響應(yīng)曲線）、StabFact（生成穩(wěn)定性K頻率曲線）和S-PARAMETER控件以便對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

若在2.1GHz-2.4GHz頻段，StabFact穩(wěn)定性K<1，說(shuō)明此時(shí)的LNA并不穩(wěn)定。因此，需采取措施使LNA穩(wěn)定。一般來(lái)說(shuō)，可以加入無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)來(lái)增強(qiáng)穩(wěn)定性，這里的無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)包括電容、電感、微帶線等。此處將采取源極串聯(lián)電感的方法。之后根據(jù)仿真效果，分析綜合增益、噪聲系數(shù)、穩(wěn)定性等各項(xiàng)參考指標(biāo)。

2.5 微帶線設(shè)計(jì)

由于2.1GHz-2.4GHz里小的電感值不僅難以精確，更會(huì)帶來(lái)?yè)p耗、寄生電容等問(wèn)題。又由于微帶線的精度和適用度，因此使用微帶線來(lái)替換電感。這里采用短接微帶線的方法。此時(shí)根據(jù)器件的datasheet，對(duì)源極引腳寬度進(jìn)行了解選擇合適合適寬度的微帶線設(shè)計(jì)。由于這里使用的是ATF54143元件，所以使用0.65mm的微帶線來(lái)設(shè)計(jì)，之后可根據(jù)ADS自帶的微帶線相關(guān)的PCB參數(shù)計(jì)算工具LineCalc對(duì)微帶線的長(zhǎng)度進(jìn)行分析。

2.6 匹配網(wǎng)絡(luò)

阻抗匹配是指將源內(nèi)部阻抗與內(nèi)在阻抗進(jìn)行匹配，從而使得所有信號(hào)都能到達(dá)負(fù)載點(diǎn)而沒(méi)有反射，最后達(dá)到最高的傳輸效率。該設(shè)計(jì)采用史密斯圓圖來(lái)實(shí)現(xiàn)。ADS軟件也自帶阻抗匹配功能。其中需考慮輸入匹配和輸出匹配兩個(gè)部分，之后在ADS中畫(huà)出史密斯圓圖。需要注意的是，需將原理圖中的阻抗數(shù)值分別換成上述原理圖的輸入輸出阻抗數(shù)值，進(jìn)行仿真后可生成DA_SmithChart Match1_Match原理圖，將其中的子電路添加到原原理圖得到新的原理圖。

2.7 完整電路分析

針對(duì)射頻波段的特殊性，拐角處會(huì)有信號(hào)反射，形成不必要的信號(hào)損失。因此，需添加實(shí)際連接焊盤(pán)和處理微帶線的轉(zhuǎn)角，對(duì)微帶線轉(zhuǎn)角處可使用T型微帶線來(lái)減弱拐角信號(hào)反射，或在轉(zhuǎn)角處使用45度角而非90度角來(lái)減小損耗。

在完成了下載并安裝芯片、直流分析、偏置分析、穩(wěn)定性分析、微帶線設(shè)計(jì)、輸入輸出阻抗網(wǎng)絡(luò)匹配、實(shí)際元器件的替換與調(diào)整這些步驟后，最終得到的S波段低噪聲放大器總原理圖如圖1所示。

運(yùn)行該總原理圖，得到最終的dds格式仿真文件，如圖2所示。

分析dds文件中給出的各項(xiàng)仿真結(jié)果，可以看到在2.1GHz到2.4GHz頻段，本課題設(shè)計(jì)的S波段低噪聲放大器K值始終超過(guò)1，即其無(wú)條件穩(wěn)定；增益為16dB左右，滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)；NFmin為0.45-0.6，噪聲系數(shù)良好，且已超過(guò)預(yù)期指標(biāo)要求。endprint

3 低噪聲放大器硬件實(shí)現(xiàn)

在已知仿真電路的情況下，如果需要繪制相對(duì)應(yīng)的PCB板文件，可以有兩種方法：一是在Altium Designer中手動(dòng)繪制出原理圖，然后由Altium Designer軟件自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的PCB文件；二則是利用ADS提供給我們的與Altium Designer的便利對(duì)接，由ADS仿真文件生成對(duì)應(yīng)的Genber文件，在Altium Deisigner（下面稱(chēng)為AD）中導(dǎo)入該文件并生成相應(yīng)的PCB文件，自己稍做修改和補(bǔ)充調(diào)整，便可完成PCB的繪制。本文中采用第二種方法。

首先在最終完成的LNA仿真原理圖中使用ADS的“l(fā)ayout”功能，生成相應(yīng)的layout文件。對(duì)該layout文件依次完成設(shè)置origin-Flatten-Union的步驟后，便可以導(dǎo)出gerber文件了。再打開(kāi)AD，新建CAM文件，然后在File菜單下選擇import→Gerber，選中導(dǎo)出的Gerber文件，對(duì)layers進(jìn)行邏輯順序和物理順序的排列后，便完成了CAM文件的生成和處理。對(duì)已完成的CAM文件，這里我們利用AD的export to PCB功能，將CAM轉(zhuǎn)化成PCB文件。初步生成的PCB文件較雜亂，需要手動(dòng)做修改和調(diào)整。主要包括：PCB 的大小、過(guò)孔設(shè)計(jì)等。數(shù)據(jù)主要參照實(shí)際廠家情況和使用的屏蔽盒的尺寸進(jìn)行修改（圖3）。

4 性能測(cè)試

對(duì)于PCB硬件電路的測(cè)量，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。本文中使用的矢網(wǎng)型號(hào)為ROHDE&SCHWARZ ZVL，對(duì)于矢網(wǎng)的使用方法可以參考該型號(hào)矢網(wǎng)的說(shuō)明手冊(cè)。

矢網(wǎng)在每次重新開(kāi)機(jī)后，使用前都需進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的目的是為了在后續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)能夠消去儀器自身和環(huán)境帶來(lái)的數(shù)據(jù)上的誤差。同時(shí)矢網(wǎng)的輸入輸出端口原理與萬(wàn)用表電流檔相似，即LNA輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)矢網(wǎng)的RF Input端口進(jìn)入矢網(wǎng)，輸出端反之亦然。即矢網(wǎng)和RF Input與PCB電路信號(hào)輸出端相連，矢網(wǎng)另一端與PCB電路信號(hào)輸入端相連，如若接反，會(huì)造成S21、S21的正負(fù)與原期望相反。接線完成后，按下SPAN按鈕，設(shè)置好需要需要測(cè)量的起始頻率及輸入信號(hào)功率，再按下MEAS按鈕，選擇需要測(cè)量的數(shù)據(jù)選項(xiàng)即可，測(cè)量過(guò)程中可以啟用MARKER功能，在曲線中同時(shí)做三個(gè)標(biāo)記，讀出該處的確切數(shù)值。由于本次S波段LNA設(shè)計(jì)在2.1GHz-2.4GHz，所以矢網(wǎng)中也設(shè)置和記錄相同的頻段數(shù)據(jù)。

如圖4所示為儀器測(cè)試出S12參數(shù)的波形，S21參數(shù)是S波段LNA的正向傳輸系數(shù)，即增益，這是測(cè)試中主要測(cè)試的部分，其關(guān)系著放大器的放大倍數(shù)。同時(shí)在測(cè)試時(shí)還可觀察S11、S12、S22波形和數(shù)據(jù)，其中S11參數(shù)是S波段LNA輸入端的回?fù)p，S12參數(shù)是S波段LNA的反向傳輸系數(shù)，S22參數(shù)是S波段LNA輸出端的反射系數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)低噪聲放大器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，運(yùn)用ADS等軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，電路穩(wěn)定，并使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)實(shí)物進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)電路具有較好的增益，良好的噪聲特性，滿足設(shè)計(jì)的要求。

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