基于5.8G RFID前置LNA精确设计

夏非

摘 要： 为满足远距离RFID的需要，本文研究了其中低噪声放大器的设计方法， 介绍了低噪声放大器的特点及低噪声放大器的网络组成和性能指标，给出了应用一种网络匹配法设计的低噪声放大器， 并对电路进行了S参数和NF的仿真的建议。结果证明这种应用NWO工具设计网络匹配电路具有方便快捷的优点， 符合5.8G电子标签的基本要求。

关键词： RFID 低噪声放大器（LNA） Smith圆 噪声系数

1.引言

低噪声放大器（Low-noise Amplifier，简称LNA）是处于RFID接收机最前端的关键部件，广泛应用于移动通信、雷达、电子对抗及遥控遥测系统。它的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，提高接收信号灵敏度，以供系统解调出所需的信息数据，其噪声、线性和匹配等性能直接影响整个接收系统的性能，笔者着重对实现增益可调和提高电路的线性度和稳定性、降低噪声系数及改善电路的输入/ 输出匹配特性的方法进行了分析研究[1][3]。其设计的技术指标：工作频率5.795GHz-5.815GHz；噪声系数<1.8 dB；增益2 dB-12 dB，回波损耗≥ 18 dB；最大工作电流≤ 120 mA。

2.低噪声放大器设计

LNA设计模型如图1所示：

所选元件ATF-54143 是一款高增益、宽动态范围、低噪声的E-PHEMT（增强模式伪形态高电子迁移率晶体管），只需要一个正的电压偏置，器件体积小，电路集成度高，特别适用于450 MHz — 6 GHz 频段的通信系统。而且根据器件性能，在漏电流IDS为60 mA时能得到最高的三阶截取点（IP3）和最低噪声系数（NF），在漏电压VDS为3 V 时，有较高的增益[2][3]。

2.1直流偏置电路的设计

首先，以ATF-54143 的栅极电压VDS 作为扫描参数对元件的静态工作点（漏极电流IDS 和漏极电压VDS）进行仿真。再根据选定的VDS（3 V），IDS（60 mA），VGS（0.56 V）， 用公式（1）（2）（3）计算各偏置电阻值，其公式来自器件说明书。

此偏置电路的稳定系数K和B如图3、图4所示：

2.2输入匹配网络设计

输入匹配网络一般为获得最小噪声而设计，所以设计匹配网络时首先考虑噪声系数。输入匹配网络由元件的最佳噪声反射系数Topt为主决定，以求得噪声系数NF 降到最小[1]，根据S 参量仿真得到的最佳噪声系数匹配条件，其输入匹配网络如图5所示，其噪声系及增益如图6所示。

2.3 输出匹配网络设计

输出匹配网络一般是为获得最大功率和最低驻波比而设计。设计匹配网络时首先考虑最大功率及最低驻波比[2]，根据S 参量仿真得到的最佳输出匹配，其输出匹配网络及响应如图7，图8所示。

前置LNA总电路设计如图9，响应如SMITH圆图10所示。

3.结语

低噪声放大器作为RFID的前端，具有广泛的应用性。在RFID中低噪声放大器是必不可少的，本文设计的LNA能满足短距离RFID小信号放大要求，可以用在RFID射频电路前端和天线相连，但是设计仍然存在需要改进的地方。如果在稳定范围内，适当增加带宽，改善增益平稳度，降低噪声系数，采用无源及有源器件，成本会更低，整个电路的性能会更好。

参考文献：

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

[2]吴国增， 杨颖. 低噪声放大器（LNA）的网络匹配设计方法研究[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].放大管的规格及应用：168-201.

[4]蓝庆华，姜福广，等.5.8GHz微波接收机电路设计[J].Application of Electronic Technique， 2012（05）：53-55.