物联网RFID射频系统中放大器的设计与测试

高雅洁+叶建芳+袁璇+曹雪婷+王钰+胡永泉

摘要：针对低噪声放大器的设计，本文中通过使用安捷伦公司的 ADS 仿真软件进行电路仿真，使用Altium公司推出的Altium Designer 6进行PCB板的生成，最后使用矢量网络分析仪进行数据检测，完成设计2.1GHz-2.4GHz的工作频率的低噪声放大器，并且经过测试，表明该低噪声放大器性能良好，达到设计目标。同时本文也介绍了微带线的设计和电路稳定性分析方法。

关键词：RFID；低噪声放大器；S波段

中图分类号：TN710 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）05-0187-03

1 引言

S波段是频率范围处于1.55GHz—3.4GHz的电磁波的频段，其应用十分广泛，蓝牙、雷达等均使用这个范围。RFID（射频识别），俗称电子标签，是物联网感知层的关键技术，其关键模块是接收端的低噪声放大器（LNA）和发射端的功率放大器（PA），但由于系统对最大发射功率的限制，无法通过无限提高发射功率来改善通信距离。因此，则采用尽可能降低接收机的噪声的办法。本文就是主要研究作为射频接收最前端的第一级放大器，其增益及噪声性能对接收系统整体的噪声性能都起着决定性作用。

2 低噪声放大器设计

2.1 设计指标及有源器件选择

设计指标：2.1GHz-2.4GHz的工作频率，0.6左右的噪声系数，以及大于15dB的增益。

软件仿真时使用的是ADS 软件，使用的芯片为ATF54143芯片模型，可根据官网提供的ATF54143的datasheet，了解该芯片基本特性，适当选择Id和Vds使得有适合的最小输出噪声Fmin和增益Gain。

2.2 直流分析

直流分析决定了LNA的晶体管的工作状态，该步骤可更好地分析芯片ATF54143的工作状态。使用控件DC-FET并根据ATF54143的datasheet设置好控件DC-FET参数，之后连接电路并仿真可得直流分析波形，可读出在VGS=0.5Vde曲线上位于VDS=3V时的IDS=0.25mA，与datasheet给出的特性曲线综合考虑，决定选取当Vds=3V，Ids =30mA时作为晶体管的直流工作点。此时，频率为2GHz时，Fmin几乎为最小值，且增益接近16.5dB。

2.3 偏置分析

偏置分析决定了偏置电流及静态工作点，使用控件DA_FET Bias和5V直流电源对芯片进行分析，并根据选定好的直流工作点设置好控件DA_FETBias的参数，连接电路并仿真，利用ADS自带的“Transistor Bias Design”功能，自行选择合适的偏置结构后，ADS将自动生成偏置子电路并自动计算好偏置中的分压电阻值，按照偏置子电路图中的电阻值进行偏置电路原理图的绘制，并加入相关空间。绘制好偏置电路原理图后，利用ADS中的“Annotate DC Solution”功能，将电路的DC成分分解并且显示出来。

2.4 稳定性分析

射频电路中，一个稳定的系统意味着具有对在收到扰动时自身工作状态不会发生变化或者即使变化也会在扰动消失后回到原来的状态的能力。因此，系统的稳定性对于LNA来说至关重要。通常情况下利用K值来判断LNA的稳定性，当K>1时，可以认为该LNA无条件稳定。

在偏置的原理图中加入DC Block（隔直模块）、DC_Feed和Term端口对电路进行优化，同时放置MaxGain（显示增益频率响应曲线）、StabFact（生成稳定性K频率曲线）和S-PARAMETER控件以便对仿真数据进行研究。

若在2.1GHz-2.4GHz频段，StabFact稳定性K<1，说明此时的LNA并不稳定。因此，需采取措施使LNA稳定。一般来说，可以加入无耗网络来增强稳定性，这里的无耗网络包括電容、电感、微带线等。此处将采取源极串联电感的方法。之后根据仿真效果，分析综合增益、噪声系数、稳定性等各项参考指标。

2.5 微带线设计

由于2.1GHz-2.4GHz里小的电感值不仅难以精确，更会带来损耗、寄生电容等问题。又由于微带线的精度和适用度，因此使用微带线来替换电感。这里采用短接微带线的方法。此时根据器件的datasheet，对源极引脚宽度进行了解选择合适合适宽度的微带线设计。由于这里使用的是ATF54143元件，所以使用0.65mm的微带线来设计，之后可根据ADS自带的微带线相关的PCB参数计算工具LineCalc对微带线的长度进行分析。

2.6 匹配网络

阻抗匹配是指将源内部阻抗与内在阻抗进行匹配，从而使得所有信号都能到达负载点而没有反射，最后达到最高的传输效率。该设计采用史密斯圆图来实现。ADS软件也自带阻抗匹配功能。其中需考虑输入匹配和输出匹配两个部分，之后在ADS中画出史密斯圆图。需要注意的是，需将原理图中的阻抗数值分别换成上述原理图的输入输出阻抗数值，进行仿真后可生成DA_SmithChart Match1_Match原理图，将其中的子电路添加到原原理图得到新的原理图。

2.7 完整电路分析

针对射频波段的特殊性，拐角处会有信号反射，形成不必要的信号损失。因此，需添加实际连接焊盘和处理微带线的转角，对微带线转角处可使用T型微带线来减弱拐角信号反射，或在转角处使用45度角而非90度角来减小损耗。

在完成了下载并安装芯片、直流分析、偏置分析、稳定性分析、微带线设计、输入输出阻抗网络匹配、实际元器件的替换与调整这些步骤后，最终得到的S波段低噪声放大器总原理图如图1所示。

运行该总原理图，得到最终的dds格式仿真文件，如图2所示。

分析dds文件中给出的各项仿真结果，可以看到在2.1GHz到2.4GHz频段，本课题设计的S波段低噪声放大器K值始终超过1，即其无条件稳定；增益为16dB左右，满足预期的设计指标；NFmin为0.45-0.6，噪声系数良好，且已超过预期指标要求。endprint

3 低噪声放大器硬件实现

在已知仿真电路的情况下，如果需要绘制相对应的PCB板文件，可以有两种方法：一是在Altium Designer中手动绘制出原理图，然后由Altium Designer软件自动生成对应的PCB文件；二则是利用ADS提供给我们的与Altium Designer的便利对接，由ADS仿真文件生成对应的Genber文件，在Altium Deisigner（下面称为AD）中导入该文件并生成相应的PCB文件，自己稍做修改和补充调整，便可完成PCB的绘制。本文中采用第二种方法。

首先在最终完成的LNA仿真原理图中使用ADS的“layout”功能，生成相应的layout文件。对该layout文件依次完成设置origin-Flatten-Union的步骤后，便可以导出gerber文件了。再打开AD，新建CAM文件，然后在File菜单下选择import→Gerber，选中导出的Gerber文件，对layers进行逻辑顺序和物理顺序的排列后，便完成了CAM文件的生成和处理。对已完成的CAM文件，这里我们利用AD的export to PCB功能，将CAM转化成PCB文件。初步生成的PCB文件较杂乱，需要手动做修改和调整。主要包括：PCB 的大小、過孔设计等。数据主要参照实际厂家情况和使用的屏蔽盒的尺寸进行修改（图3）。

4 性能测试

对于PCB硬件电路的测量，采用矢量网络分析仪。本文中使用的矢网型号为ROHDE&SCHWARZ ZVL，对于矢网的使用方法可以参考该型号矢网的说明手册。

矢网在每次重新开机后，使用前都需进行校准，校准的目的是为了在后续测量数据时能够消去仪器自身和环境带来的数据上的误差。同时矢网的输入输出端口原理与万用表电流档相似，即LNA输出的信号经过矢网的RF Input端口进入矢网，输出端反之亦然。即矢网和RF Input与PCB电路信号输出端相连，矢网另一端与PCB电路信号输入端相连，如若接反，会造成S21、S21的正负与原期望相反。接线完成后，按下SPAN按钮，设置好需要需要测量的起始频率及输入信号功率，再按下MEAS按钮，选择需要测量的数据选项即可，测量过程中可以启用MARKER功能，在曲线中同时做三个标记，读出该处的确切数值。由于本次S波段LNA设计在2.1GHz-2.4GHz，所以矢网中也设置和记录相同的频段数据。

如图4所示为仪器测试出S12参数的波形，S21参数是S波段LNA的正向传输系数，即增益，这是测试中主要测试的部分，其关系着放大器的放大倍数。同时在测试时还可观察S11、S12、S22波形和数据，其中S11参数是S波段LNA输入端的回损，S12参数是S波段LNA的反向传输系数，S22参数是S波段LNA输出端的反射系数。

5 结语

本文针对低噪声放大器的设计进行了研究，运用ADS等软件对电路进行了仿真设计，电路稳定，并使用矢量网络分析仪对实物进行了测试，测试结果表明设计电路具有较好的增益，良好的噪声特性，满足设计的要求。

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