物聯網RFID射頻系統中放大器的設計與測試

高雅潔+葉建芳+袁璇+曹雪婷+王鈺+胡永泉

摘要：針對低噪聲放大器的設計，本文中通過使用安捷倫公司的 ADS 仿真軟件進行電路仿真，使用Altium公司推出的Altium Designer 6進行PCB板的生成，最后使用矢量網絡分析儀進行數據檢測，完成設計2.1GHz-2.4GHz的工作頻率的低噪聲放大器，并且經過測試，表明該低噪聲放大器性能良好，達到設計目標。同時本文也介紹了微帶線的設計和電路穩定性分析方法。

關鍵詞：RFID；低噪聲放大器；S波段

中圖分類號：TN710 文獻標識碼：A 文章編號：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，其應用十分廣泛，藍牙、雷達等均使用這個范圍。RFID（射頻識別），俗稱電子標簽，是物聯網感知層的關鍵技術，其關鍵模塊是接收端的低噪聲放大器（LNA）和發射端的功率放大器（PA），但由于系統對最大發射功率的限制，無法通過無限提高發射功率來改善通信距離。因此，則采用盡可能降低接收機的噪聲的辦法。本文就是主要研究作為射頻接收最前端的第一級放大器，其增益及噪聲性能對接收系統整體的噪聲性能都起著決定性作用。

2 低噪聲放大器設計

2.1 設計指標及有源器件選擇

設計指標：2.1GHz-2.4GHz的工作頻率，0.6左右的噪聲系數，以及大于15dB的增益。

軟件仿真時使用的是ADS 軟件，使用的芯片為ATF54143芯片模型，可根據官網提供的ATF54143的datasheet，了解該芯片基本特性，適當選擇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，該步驟可更好地分析芯片ATF54143的工作狀態。使用控件DC-FET并根據ATF54143的datasheet設置好控件DC-FET參數，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時的IDS=0.25mA，與datasheet給出的特性曲線綜合考慮，決定選取當Vds=3V，Ids =30mA時作為晶體管的直流工作點。此時，頻率為2GHz時，Fmin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工作點，使用控件DA_FET Bias和5V直流電源對芯片進行分析，并根據選定好的直流工作點設置好控件DA_FETBias的參數，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構后，ADS將自動生成偏置子電路并自動計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行偏置電路原理圖的繪制，并加入相關空間。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。

2.4 穩定性分析

射頻電路中，一個穩定的系統意味著具有對在收到擾動時自身工作狀態不會發生變化或者即使變化也會在擾動消失后回到原來的狀態的能力。因此，系統的穩定性對于LNA來說至關重要。通常情況下利用K值來判斷LNA的穩定性，當K>1時，可以認為該LNA無條件穩定。

在偏置的原理圖中加入DC Block（隔直模塊）、DC_Feed和Term端口對電路進行優化，同時放置MaxGain（顯示增益頻率響應曲線）、StabFact（生成穩定性K頻率曲線）和S-PARAMETER控件以便對仿真數據進行研究。

若在2.1GHz-2.4GHz頻段，StabFact穩定性K<1，說明此時的LNA并不穩定。因此，需采取措施使LNA穩定。一般來說，可以加入無耗網絡來增強穩定性，這里的無耗網絡包括電容、電感、微帶線等。此處將采取源極串聯電感的方法。之后根據仿真效果，分析綜合增益、噪聲系數、穩定性等各項參考指標。

2.5 微帶線設計

由于2.1GHz-2.4GHz里小的電感值不僅難以精確，更會帶來損耗、寄生電容等問題。又由于微帶線的精度和適用度，因此使用微帶線來替換電感。這里采用短接微帶線的方法。此時根據器件的datasheet，對源極引腳寬度進行了解選擇合適合適寬度的微帶線設計。由于這里使用的是ATF54143元件，所以使用0.65mm的微帶線來設計，之后可根據ADS自帶的微帶線相關的PCB參數計算工具LineCalc對微帶線的長度進行分析。

2.6 匹配網絡

阻抗匹配是指將源內部阻抗與內在阻抗進行匹配，從而使得所有信號都能到達負載點而沒有反射，最后達到最高的傳輸效率。該設計采用史密斯圓圖來實現。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部分，之后在ADS中畫出史密斯圓圖。需要注意的是，需將原理圖中的阻抗數值分別換成上述原理圖的輸入輸出阻抗數值，進行仿真后可生成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

針對射頻波段的特殊性，拐角處會有信號反射，形成不必要的信號損失。因此，需添加實際連接焊盤和處理微帶線的轉角，對微帶線轉角處可使用T型微帶線來減弱拐角信號反射，或在轉角處使用45度角而非90度角來減小損耗。

在完成了下載并安裝芯片、直流分析、偏置分析、穩定性分析、微帶線設計、輸入輸出阻抗網絡匹配、實際元器件的替換與調整這些步驟后，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文件中給出的各項仿真結果，可以看到在2.1GHz到2.4GHz頻段，本課題設計的S波段低噪聲放大器K值始終超過1，即其無條件穩定；增益為16dB左右，滿足預期的設計指標；NFmin為0.45-0.6，噪聲系數良好，且已超過預期指標要求。endprint

3 低噪聲放大器硬件實現

在已知仿真電路的情況下，如果需要繪制相對應的PCB板文件，可以有兩種方法：一是在Altium Designer中手動繪制出原理圖，然后由Altium Designer軟件自動生成對應的PCB文件；二則是利用ADS提供給我們的與Altium Designer的便利對接，由ADS仿真文件生成對應的Genber文件，在Altium Deisigner（下面稱為AD）中導入該文件并生成相應的PCB文件，自己稍做修改和補充調整，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“layout”功能，生成相應的layout文件。對該layout文件依次完成設置origin-Flatten-Union的步驟后，便可以導出gerber文件了。再打開AD，新建CAM文件，然后在File菜單下選擇import→Gerber，選中導出的Gerber文件，對layers進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。對已完成的CAM文件，這里我們利用AD的export to PCB功能，將CAM轉化成PCB文件。初步生成的PCB文件較雜亂，需要手動做修改和調整。主要包括：PCB 的大小、過孔設計等。數據主要參照實際廠家情況和使用的屏蔽盒的尺寸進行修改（圖3）。

4 性能測試

對于PCB硬件電路的測量，采用矢量網絡分析儀。本文中使用的矢網型號為ROHDE&SCHWARZ ZVL，對于矢網的使用方法可以參考該型號矢網的說明手冊。

矢網在每次重新開機后，使用前都需進行校準，校準的目的是為了在后續測量數據時能夠消去儀器自身和環境帶來的數據上的誤差。同時矢網的輸入輸出端口原理與萬用表電流檔相似，即LNA輸出的信號經過矢網的RF Input端口進入矢網，輸出端反之亦然。即矢網和RF Input與PCB電路信號輸出端相連，矢網另一端與PCB電路信號輸入端相連，如若接反，會造成S21、S21的正負與原期望相反。接線完成后，按下SPAN按鈕，設置好需要需要測量的起始頻率及輸入信號功率，再按下MEAS按鈕，選擇需要測量的數據選項即可，測量過程中可以啟用MARKER功能，在曲線中同時做三個標記，讀出該處的確切數值。由于本次S波段LNA設計在2.1GHz-2.4GHz，所以矢網中也設置和記錄相同的頻段數據。

如圖4所示為儀器測試出S12參數的波形，S21參數是S波段LNA的正向傳輸系數，即增益，這是測試中主要測試的部分，其關系著放大器的放大倍數。同時在測試時還可觀察S11、S12、S22波形和數據，其中S11參數是S波段LNA輸入端的回損，S12參數是S波段LNA的反向傳輸系數，S22參數是S波段LNA輸出端的反射系數。

5 結語

本文針對低噪聲放大器的設計進行了研究，運用ADS等軟件對電路進行了仿真設計，電路穩定，并使用矢量網絡分析儀對實物進行了測試，測試結果表明設計電路具有較好的增益，良好的噪聲特性，滿足設計的要求。

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