摘  要： 针对低噪声放大器实际电路往往和仿真结果出入较大、调试困难等特征，以TRL校准件和芯片量测板为平台量测出芯片的S参数，通过和厂商提供的S参数比拟，在此基础上通过射频仿真软件设计出的低噪声放大器，在实际测试中和仿真结果比较接近，大大提高了低噪声放大器设计的效率和性能。最后以GPS和北斗为例，给出了实测和仿真的S参数Smith圆图比对结果。

　　关键词： 低噪声放大器；TRL校准；S参数

　　低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，减小噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据[1]。低噪声放大器是现代无线通信、雷达、电子对抗系统等应用中一个非常重要的部分，并且拥有广阔的发展前景，其性能的好坏直接影响了整个系统的性能。常用于接收系统的前端，在放大信号的同时抑制噪声干扰，提高系统灵敏度。

　　目前，国内关于低噪声放大器的设计主要是通过EDA软件借助于芯片厂商提供的设计套件（Design Kit）做软件仿真来设计的。这种设计方法往往不能很好地得到和仿真接近的结果，而且增加了调试难度，最终也很难达到仿真中的结果。针对这种仿真中的优秀结果很难通过实际电路表现出来的问题，本文使用安华高公司的ATF34143芯片来设计低噪声放大器，选取的工作电压为3 V和工作电流为20 mA，然后通过设计出的TRL校准件、芯片量测PCB板和矢量网络分析仪提取出芯片的S参数（特定电压、电流和电路结构，不含有噪声系数），再通过和厂商提供的S参数（含有噪声系数，不确定电路结构）进行拟合，然后在此基础上通过ADS（Advanced Design Systerm）仿真软件进行电路设计和仿真，以GPS和北斗两种不同频段的低噪声放大器为例，最终得到了和仿真向接近的S参数。本文中叙述以GPS为主，最后分别给出了GPS和北斗低噪放的实测和联合仿真比对的结果。

1 TRL校准件和芯片量测PCB板的制作

　　简单地说，TRL校准就是通过thru（直通）-reflection（反射）-line（线）三步校准来去掉接入网络误差的校准方法，本文设计的TRL校准件选择聚四氟乙烯介电常数Er=2.65，厚度h=0.8 mm的板材，中心频率为2 GHz，校准范围为444 MHz~3.5 GHz，芯片量测PCB板的制作是参考芯片的本身特性以及其封装结构来设计的，通过TRL校准件和量测PCB板，可以准确地量测到芯片管脚处的S参数[2-3]。

2 两种S参数的应用

　　一种S参数是从某芯片量测PCB板中提取的，其中包含了反馈网络和偏置电路，这样就可以确定这种结构和偏置电路下的S参数，但是这种通过矢量网络分析仪提取的S参数中不包含噪声系数。另一种S参数是芯片厂商提供的纯粹的S参数，这种S参数中不包含任何额外的电路，并且这种S参数中含有噪声系数。这两种S参数各有优点，需要做的就是把这它们的各自的优点结合起来，使其更方便对电路进行设计。图1为两种S参数仿真的原理图。

　　图1中，B为实测出的S参数，A为厂商提供的S参数，为了达到拟合的效果，A中根据PCB结构中的电路加入了适当的元器件，其中电阻和电容与PCB中的一样，电感是根据芯片管脚的长度定义的。当电感为1.1 nH时比拟的效果最好。为了更直观地看到拟合的效果，采用了Smith圆图来比较它们的S参数的Smith圆图，如图2所示。其中，有圆点的线为厂商提供的S参数调整以后的结果S（3，3），S（4，4），S（4，3），S（3，4），分别对应着图中曲线所示实测结果的S参数S（1，1），S（2，2），S（2，1），S（1，2），从图中可以看到两种S参数的拟合的效果比较理想。

3 低噪声放大器的原理图设计

　　3.1 稳定性分析

　　因为提取的S参数为特定电压、电流和电路结构下的S参数，因而在控件中这种仿真环境已经包含在里面，就不需要再专门设计偏置电路，接下来需要对其进行稳定性分析。确保其工作在稳定条件下，稳定性是低噪声放大器设计的重要特性之一。很明显，如果低噪声放大器电路性能不稳定，会成为一个振荡器。下面是稳定性要满足的3个条件：

　　|S22|2<1-|S12S21|（2）

　　|S22|2<1-|S12S21|（3）

　　K称为稳定判别系数，K>1是稳定状态。只有当3个条件都满足时，才能保证放大器是绝对稳定的[1]。一般采取稳定性的措施有：（1）引入负反馈；（2）在管子的输入或者输出端口串并联电阻[3]。这两种方法都有效，但是一般在设计中往往采取多种相组合的方式来做稳定。图3是已经做好稳定性的电路，在其输入端口并联了50 的电阻，输出端口串联了一个22 和并联了一个500 的电阻，并加入了负反馈。图4为稳定性曲线，可以看到在0~11 GHz上大于1，都是稳定的，确保了芯片工作在稳定状态。

　　3.2 电路的输入输出匹配

　　在设计低噪声放大器时，既要求取得最好的噪声系数，又要求最大的增益。因此在调节整个电路的稳定性时，就要考虑到最好增益和最佳噪声系数之间的关系，如图5为等增益圆和等噪声系数的Smith圆图。

　　最佳噪声和增益点的匹配是低噪声放大器设计关键，GammaS是源反射系数的最佳值，是从分立元件向源看去的。图中两个圆圈，深色代表增益圆，步进为1 dB，gain=14.197处的小圆点代表着最佳增益点；浅色的为噪声圆，其步进为0.2 dB，其圆心代表着最佳的噪声点。根据Hau′s的理论，如果式GammaS=S*11成立，则分立器件的最小噪声系数与最大增益将同时达到[5]。因此为了获得较好的噪声系数和较好的增益，在设计的过程中尽量使S*11和GammaS相接近，图5是以GPS为例，其中m9为GSP在频率1 575.42 MHz的S11所在的点，对其取共轭可以想象它和GammaS非常接近。调整好最佳的源反射系数以后，就要对其进行输入输出匹配。以GPS为例给出了匹配的电路如图6所示。

　　原理图匹配号好以后进行原理图仿真，如果原理图仿真没有问题，则进行联合仿真。经过调试以后的联合仿真电路如图7所示，联合仿真是用来消除分立器件和走线的分布参数等对结果的影响。最后联合仿真的结果如图8、9所示。其中包含了S（1，1），S（2，2），S（1，2），S（2，1）以及噪声系数和稳定性，都满足要求。

4 焊接和测试

　　最后按照联合仿真结果的数值，进行电路板的焊接，焊接的时同样也是要注意连接头的焊接的一致性，焊接完成以后要对芯片进行测试，根据测试的结果作适当调整（由于分立元件个体之间的差异，以及电路板本身存在寄生电容和电感会对结果造成一定的偏差）。

　　测试设备选用Agilent的E5071C，可以直接导出测量结果为S2P格式，可以被ADS仿真软件读取，方便以后仿真和实测结果的比对。图10为未经任何调试之前的测试结果，从图上的Smith圆图中可以看到，和图9中的Smith圆图相比其输入输出和仿真结果相比有一点失配，造成这种现象主要是因为在实际的电路中会存在一些寄生的电感或者电容，导致了与仿真的偏差，从图10中可以看出这种偏差比较小，只需要简单的微调即可。最终在实际调试中对输入端口匹配中的串联电感、输出匹配中的串联电容进行了微调调试以后，我们得到调试以后的测试结果如图11所示，初步判断和仿真的结果比较相似。

5 实测结果和联合仿真的结果比对

　　将通过矢量网络分析仪提取出低噪声放大器的S参数，导入到ADS中，为了更直观地看到两种S参数的比对效果，采用Smith圆图来比对。图12、13分别是GPS和BD两组不同频率的S参数的拟合效果。图中分别是GPS和BD的S参数的Smith圆图，其中有圆点的曲线表示实测结果S（3，3），S（4，4），S（4，3），S（3，4）分别与平滑曲线联合仿真的结果S（1，1），S（2，2），S（2，1），S（1，2）相对应。从图中可以看到，经微调后得到的结果和联合仿真的结果都比较接近，通过这两组结果的比对，可以说明这种方法的可靠性和准确性。

　　对于工程师而言，能够通过EDA仿真软件设计出性能较好的射频电路，然而在设计出的实际电路中，往往会受电路结构及芯片电路封装等影响，很难达到仿真中的性能，也增加了调试的难度。本文中以设计GPS（1575.42 MHz）和北斗（1268.52 MHz）两个不同频段的低噪声放大器来说明通过TRL校准这种方法可以提高低噪声放大器的设计效率和准确性，可以得到与仿真性能逼近的实际电路，对于设计高标准的低噪声放大器在实际应用中有很好的实用性。

　　参考文献

　　[1] 徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京：电子工业出版社，2009

　　[2] ENGEN G F， HOER C A. Thru-Reflect-Line： An improved technique for calibrating the dual six-port automatic network Analyzer[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 1979，27（12）：987-993.

　　[3] STUMPER U. Uncertainty of VNA S-parameter measurement

　　due to nonideal TRL calibration items[J]. IEEE Transactions

　　on Instrumentation and Measurement， 2005，54（2）：676-679.

　　[4] 赵建勋，陆曼如，邓军.射频电路基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2010.

　　[5] REINHOLD L. RF circuit design： theory and applications[M].北京：电子工业出版社，2002.