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[摘 要]低噪声放大器（LNA）是射频识别（RFID）系统的重要组成部分。采用ATF-541m4晶体管，利用ADS软件设计一种5.8GHz单级低噪声放大器。版图级仿真结果表明在5.8 GHz处，放大器增益为10.25dB，噪声系数为0.95 dB，稳定系数大于1，输入与输出的反射系数分别为-30.16 dB和-15.72 dB。该放大器结构简洁，可应用于物联网中射频识别系统的信号放大。
[关键词]低噪声放大器；射频识别；噪声系数；增益；稳定系数
中图分类号：TN722.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）44-0072-02
1 引言
射频识别（RFID）是一种利用射频通信实现非接触的自动识别技术，LNA作为RFID系统的关键器件之一， 主要功能是放大从天线接收到的信号，用于后级电路处理，同时抑制噪声干扰，提高系统的灵敏度，在实现数据无线传输过程中起重要作用。为了减少射频前端电路及天线的体积，目前针对RFID系统的研究主要集中于5.8GHz的高频段。本文采用ATF-541m4晶体管，利用ADS软件通过电路级以及版图级联合仿真，设计了一种可用于RFID系统的5.8GHz单级低噪声放大器。
2 电路设计
设计LNA电路时，需要综合考虑放大器的增益、噪声系数与输入输出匹配等参数。本文采用ATF-541m4晶体管实现低噪声放大器的设计，放大器晶体管的静态工作点将决定所设计的放大器的工作状态，偏置状态不同，晶体管的阻抗特性差别会很大，需要在选定器件后根据设计指标来获得偏置电压信息，设置ATF-541m4晶体管的直流工作点为。所设计的LNA电路原理如图1所示。
其中，R1、R2、R3为直流偏置电阻，Vdc为工作电压，C1、C2为隔直电容，L1、L2为扼流电感，C3、C4为旁路电容，C5、C6、C7为去耦电容。TL1、TL2和Tee1组成了输入端的微带线匹配电路，Tee2、Tee3、TL3、TL4和TL5组成了输出端的微带线匹配电路。电路的稳定性是放大器能够正常工作的前提，因此需要对晶体管进行增强稳定性的设计。仿真结果表明在3GHz-8GHz频带内，稳定性因子k=1.004，大于1，放大器保持绝对稳定。偏置电路是射频电路的设计中不可缺少的一部分，其主要作用是为放大器等有源器件提供合适的静态工作点，以保证整个电路能够正常工作。根据晶体管的直流工作点可以计算出，R1=28Ω，R2=222Ω，R3=33Ω。输入、输出匹配网络的作用是减小信号反射。若电路不匹配，则会形成反射，降低效率。对于低噪声放大器而言首先需要考虑的是最小噪声，再根据最佳噪声匹配来设计输入端的匹配电路。输出匹配网络的设计主要考虑LNA的驻波比和增益，输出端一般采用共轭匹配以获得最小驻波比和最大增益。通过仿真优化得出本文设计的LNA输出阻抗ZL=73.17-j16.719Ω。
3 电路及版图级联合仿真结果
针对图1所示的电路原理图，利用计算出的各元件参数进行ADS仿真，得出LNA的增益、噪声系数、输入/输出反射系数等的电路仿真结果。再根据原理图生成版图，在版图设计中，需增加一定数量的接地过孔，如果缺少接地过孔，会导致无法得到S参数理想结果。优化后得到的电路版图如图2所示。
图3所示为利用版图进行的联合仿真以及原理图级仿真结果对比。当工作频率为5.8GHz时，联合仿真中增益为10.25dB，满足大于10dB的设计指标，与电路仿真结果相比略有减小；联合仿真中放大器的噪声系数与电路仿真结果良好吻合，约为0.95dB；联合仿真的输入反射系数S11 = -30.16dB，输出反射系数S22 = -15.72dB，说明该放大器的输入匹配较好，但由于输出匹配中微带线的长度较长等原因，输出匹配没有输入匹配的效果好，但满足设计要求。
4 总结
本文以ATF-541m4晶体管为核心，通过设计静态工作点、增益反馈、输入/输出匹配等电路，仿真实现了一种单级低噪声放大器，利用ADS进行了电路级、版图级联合仿真优化，结果表明在5.8 GHz处，放大器增益为10.25dB，噪声系数为0.95 dB，输入与输出的反射系数分别为-30.16 dB和-15.72 dB，稳定系数大于1。
参考文献
[1] 刘祖华， 刘斌， 黄亮等. 应用于 WLAN 的低噪声放大器及射频前端的设计 [J]. 电子技术应用， 2014， 40（1）： 42 - 44.
[2] Zhihong Dai， Yongzhong Hu， ？Kunzhi Xu. Two-stage Low Noise Amplifier for BD-II receiver application [C]. Millimeter Waves （GSMM）， 2012： 303-306
[3] Gupta，S.K. Garg，A. Singh，N.P. Design and simulation of an improved dual band？LNA for WLAN applications [C]. Computer and Communication Technology （ICCCT）， 2010： 678-682.
[4] 张萌， 王志功， 李智群等. 应用于无线传感器网络的低噪声放大器设计 [J]. 电子器件， 2010， 33（1）： 32 - 36.
[5] 刘轶， 严伟. 射频电路设计原理 [M]. 北京： 清华大学出版社， 2014.
[6] 程 骏， 李海华. 一种 S 波段低噪声放大器的设计 [J]. 电子器件， 2013， 36（2）： 206 - 210.
[7] 徐兴福. ADS2008射频电路设计与仿真实例（第2版） [M]. 北京： 电子工业出版社， 2013.
基金项目：国家自然科学基金（61171039）
[关键词]低噪声放大器；射频识别；噪声系数；增益；稳定系数
中图分类号：TN722.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）44-0072-02
1 引言
射频识别（RFID）是一种利用射频通信实现非接触的自动识别技术，LNA作为RFID系统的关键器件之一， 主要功能是放大从天线接收到的信号，用于后级电路处理，同时抑制噪声干扰，提高系统的灵敏度，在实现数据无线传输过程中起重要作用。为了减少射频前端电路及天线的体积，目前针对RFID系统的研究主要集中于5.8GHz的高频段。本文采用ATF-541m4晶体管，利用ADS软件通过电路级以及版图级联合仿真，设计了一种可用于RFID系统的5.8GHz单级低噪声放大器。
2 电路设计
设计LNA电路时，需要综合考虑放大器的增益、噪声系数与输入输出匹配等参数。本文采用ATF-541m4晶体管实现低噪声放大器的设计，放大器晶体管的静态工作点将决定所设计的放大器的工作状态，偏置状态不同，晶体管的阻抗特性差别会很大，需要在选定器件后根据设计指标来获得偏置电压信息，设置ATF-541m4晶体管的直流工作点为。所设计的LNA电路原理如图1所示。
其中，R1、R2、R3为直流偏置电阻，Vdc为工作电压，C1、C2为隔直电容，L1、L2为扼流电感，C3、C4为旁路电容，C5、C6、C7为去耦电容。TL1、TL2和Tee1组成了输入端的微带线匹配电路，Tee2、Tee3、TL3、TL4和TL5组成了输出端的微带线匹配电路。电路的稳定性是放大器能够正常工作的前提，因此需要对晶体管进行增强稳定性的设计。仿真结果表明在3GHz-8GHz频带内，稳定性因子k=1.004，大于1，放大器保持绝对稳定。偏置电路是射频电路的设计中不可缺少的一部分，其主要作用是为放大器等有源器件提供合适的静态工作点，以保证整个电路能够正常工作。根据晶体管的直流工作点可以计算出，R1=28Ω，R2=222Ω，R3=33Ω。输入、输出匹配网络的作用是减小信号反射。若电路不匹配，则会形成反射，降低效率。对于低噪声放大器而言首先需要考虑的是最小噪声，再根据最佳噪声匹配来设计输入端的匹配电路。输出匹配网络的设计主要考虑LNA的驻波比和增益，输出端一般采用共轭匹配以获得最小驻波比和最大增益。通过仿真优化得出本文设计的LNA输出阻抗ZL=73.17-j16.719Ω。
3 电路及版图级联合仿真结果
针对图1所示的电路原理图，利用计算出的各元件参数进行ADS仿真，得出LNA的增益、噪声系数、输入/输出反射系数等的电路仿真结果。再根据原理图生成版图，在版图设计中，需增加一定数量的接地过孔，如果缺少接地过孔，会导致无法得到S参数理想结果。优化后得到的电路版图如图2所示。
图3所示为利用版图进行的联合仿真以及原理图级仿真结果对比。当工作频率为5.8GHz时，联合仿真中增益为10.25dB，满足大于10dB的设计指标，与电路仿真结果相比略有减小；联合仿真中放大器的噪声系数与电路仿真结果良好吻合，约为0.95dB；联合仿真的输入反射系数S11 = -30.16dB，输出反射系数S22 = -15.72dB，说明该放大器的输入匹配较好，但由于输出匹配中微带线的长度较长等原因，输出匹配没有输入匹配的效果好，但满足设计要求。
4 总结
本文以ATF-541m4晶体管为核心，通过设计静态工作点、增益反馈、输入/输出匹配等电路，仿真实现了一种单级低噪声放大器，利用ADS进行了电路级、版图级联合仿真优化，结果表明在5.8 GHz处，放大器增益为10.25dB，噪声系数为0.95 dB，输入与输出的反射系数分别为-30.16 dB和-15.72 dB，稳定系数大于1。
参考文献
[1] 刘祖华， 刘斌， 黄亮等. 应用于 WLAN 的低噪声放大器及射频前端的设计 [J]. 电子技术应用， 2014， 40（1）： 42 - 44.
[2] Zhihong Dai， Yongzhong Hu， ？Kunzhi Xu. Two-stage Low Noise Amplifier for BD-II receiver application [C]. Millimeter Waves （GSMM）， 2012： 303-306
[3] Gupta，S.K. Garg，A. Singh，N.P. Design and simulation of an improved dual band？LNA for WLAN applications [C]. Computer and Communication Technology （ICCCT）， 2010： 678-682.
[4] 张萌， 王志功， 李智群等. 应用于无线传感器网络的低噪声放大器设计 [J]. 电子器件， 2010， 33（1）： 32 - 36.
[5] 刘轶， 严伟. 射频电路设计原理 [M]. 北京： 清华大学出版社， 2014.
[6] 程 骏， 李海华. 一种 S 波段低噪声放大器的设计 [J]. 电子器件， 2013， 36（2）： 206 - 210.
[7] 徐兴福. ADS2008射频电路设计与仿真实例（第2版） [M]. 北京： 电子工业出版社， 2013.
基金项目：国家自然科学基金（61171039）