基于5.8G RFID前置LNA精確設計

夏非

摘 要： 為滿足遠距離RFID的需要，本文研究了其中低噪聲放大器的設計方法， 介紹了低噪聲放大器的特點及低噪聲放大器的網絡組成和性能指標，給出了應用一種網絡匹配法設計的低噪聲放大器， 并對電路進行了S參數和NF的仿真的建議。結果證明這種應用NWO工具設計網絡匹配電路具有方便快捷的優點， 符合5.8G電子標簽的基本要求。

關鍵詞： RFID 低噪聲放大器（LNA） Smith圓 噪聲系數

1.引言

低噪聲放大器（Low-noise Amplifier，簡稱LNA）是處于RFID接收機最前端的關鍵部件，廣泛應用于移動通信、雷達、電子對抗及遙控遙測系統。它的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號，降低噪聲干擾，提高接收信號靈敏度，以供系統解調出所需的信息數據，其噪聲、線性和匹配等性能直接影響整個接收系統的性能，筆者著重對實現增益可調和提高電路的線性度和穩定性、降低噪聲系數及改善電路的輸入/ 輸出匹配特性的方法進行了分析研究[1][3]。其設計的技術指標：工作頻率5.795GHz-5.815GHz；噪聲系數<1.8 dB；增益2 dB-12 dB，回波損耗≥ 18 dB；最大工作電流≤ 120 mA。

2.低噪聲放大器設計

LNA設計模型如圖1所示：

所選元件ATF-54143 是一款高增益、寬動態范圍、低噪聲的E-PHEMT（增強模式偽形態高電子遷移率晶體管），只需要一個正的電壓偏置，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。而且根據器件性能，在漏電流IDS為60 mA時能得到最高的三階截取點（IP3）和最低噪聲系數（NF），在漏電壓VDS為3 V 時，有較高的增益[2][3]。

2.1直流偏置電路的設計

首先，以ATF-54143 的柵極電壓VDS 作為掃描參數對元件的靜態工作點（漏極電流IDS 和漏極電壓VDS）進行仿真。再根據選定的VDS（3 V），IDS（60 mA），VGS（0.56 V）， 用公式（1）（2）（3）計算各偏置電阻值，其公式來自器件說明書。

此偏置電路的穩定系數K和B如圖3、圖4所示：

2.2輸入匹配網絡設計

輸入匹配網絡一般為獲得最小噪聲而設計，所以設計匹配網絡時首先考慮噪聲系數。輸入匹配網絡由元件的最佳噪聲反射系數Topt為主決定，以求得噪聲系數NF 降到最小[1]，根據S 參量仿真得到的最佳噪聲系數匹配條件，其輸入匹配網絡如圖5所示，其噪聲系及增益如圖6所示。

2.3 輸出匹配網絡設計

輸出匹配網絡一般是為獲得最大功率和最低駐波比而設計。設計匹配網絡時首先考慮最大功率及最低駐波比[2]，根據S 參量仿真得到的最佳輸出匹配，其輸出匹配網絡及響應如圖7，圖8所示。

前置LNA總電路設計如圖9，響應如SMITH圓圖10所示。

3.結語

低噪聲放大器作為RFID的前端，具有廣泛的應用性。在RFID中低噪聲放大器是必不可少的，本文設計的LNA能滿足短距離RFID小信號放大要求，可以用在RFID射頻電路前端和天線相連，但是設計仍然存在需要改進的地方。如果在穩定范圍內，適當增加帶寬，改善增益平穩度，降低噪聲系數，采用無源及有源器件，成本會更低，整個電路的性能會更好。

參考文獻：

[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]吳國增， 楊穎. 低噪聲放大器（LNA）的網絡匹配設計方法研究[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].放大管的規格及應用：168-201.

[4]藍慶華，姜福廣，等.5.8GHz微波接收機電路設計[J].Application of Electronic Technique， 2012（05）：53-55.