摘  要： 針對(duì)低噪聲放大器實(shí)際電路往往和仿真結(jié)果出入較大、調(diào)試?yán)щy等特征，以TRL校準(zhǔn)件和芯片量測(cè)板為平臺(tái)量測(cè)出芯片的S參數(shù)，通過和廠商提供的S參數(shù)比擬，在此基礎(chǔ)上通過射頻仿真軟件設(shè)計(jì)出的低噪聲放大器，在實(shí)際測(cè)試中和仿真結(jié)果比較接近，大大提高了低噪聲放大器設(shè)計(jì)的效率和性能。最后以GPS和北斗為例，給出了實(shí)測(cè)和仿真的S參數(shù)Smith圓圖比對(duì)結(jié)果。

　　關(guān)鍵詞： 低噪聲放大器；TRL校準(zhǔn)；S參數(shù)

　　低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號(hào)，減小噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)[1]。低噪聲放大器是現(xiàn)代無線通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗系統(tǒng)等應(yīng)用中一個(gè)非常重要的部分，并且擁有廣闊的發(fā)展前景，其性能的好壞直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的性能。常用于接收系統(tǒng)的前端，在放大信號(hào)的同時(shí)抑制噪聲干擾，提高系統(tǒng)靈敏度。

　　目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于低噪聲放大器的設(shè)計(jì)主要是通過EDA軟件借助于芯片廠商提供的設(shè)計(jì)套件（Design Kit）做軟件仿真來設(shè)計(jì)的。這種設(shè)計(jì)方法往往不能很好地得到和仿真接近的結(jié)果，而且增加了調(diào)試難度，最終也很難達(dá)到仿真中的結(jié)果。針對(duì)這種仿真中的優(yōu)秀結(jié)果很難通過實(shí)際電路表現(xiàn)出來的問題，本文使用安華高公司的ATF34143芯片來設(shè)計(jì)低噪聲放大器，選取的工作電壓為3 V和工作電流為20 mA，然后通過設(shè)計(jì)出的TRL校準(zhǔn)件、芯片量測(cè)PCB板和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提取出芯片的S參數(shù)（特定電壓、電流和電路結(jié)構(gòu)，不含有噪聲系數(shù)），再通過和廠商提供的S參數(shù)（含有噪聲系數(shù)，不確定電路結(jié)構(gòu)）進(jìn)行擬合，然后在此基礎(chǔ)上通過ADS（Advanced Design Systerm）仿真軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真，以GPS和北斗兩種不同頻段的低噪聲放大器為例，最終得到了和仿真向接近的S參數(shù)。本文中敘述以GPS為主，最后分別給出了GPS和北斗低噪放的實(shí)測(cè)和聯(lián)合仿真比對(duì)的結(jié)果。

1 TRL校準(zhǔn)件和芯片量測(cè)PCB板的制作

　　簡(jiǎn)單地說，TRL校準(zhǔn)就是通過thru（直通）-reflection（反射）-line（線）三步校準(zhǔn)來去掉接入網(wǎng)絡(luò)誤差的校準(zhǔn)方法，本文設(shè)計(jì)的TRL校準(zhǔn)件選擇聚四氟乙烯介電常數(shù)Er=2.65，厚度h=0.8 mm的板材，中心頻率為2 GHz，校準(zhǔn)范圍為444 MHz~3.5 GHz，芯片量測(cè)PCB板的制作是參考芯片的本身特性以及其封裝結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)的，通過TRL校準(zhǔn)件和量測(cè)PCB板，可以準(zhǔn)確地量測(cè)到芯片管腳處的S參數(shù)[2-3]。

2 兩種S參數(shù)的應(yīng)用

　　一種S參數(shù)是從某芯片量測(cè)PCB板中提取的，其中包含了反饋網(wǎng)絡(luò)和偏置電路，這樣就可以確定這種結(jié)構(gòu)和偏置電路下的S參數(shù)，但是這種通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提取的S參數(shù)中不包含噪聲系數(shù)。另一種S參數(shù)是芯片廠商提供的純粹的S參數(shù)，這種S參數(shù)中不包含任何額外的電路，并且這種S參數(shù)中含有噪聲系數(shù)。這兩種S參數(shù)各有優(yōu)點(diǎn)，需要做的就是把這它們的各自的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，使其更方便對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖1為兩種S參數(shù)仿真的原理圖。

　　圖1中，B為實(shí)測(cè)出的S參數(shù)，A為廠商提供的S參數(shù)，為了達(dá)到擬合的效果，A中根據(jù)PCB結(jié)構(gòu)中的電路加入了適當(dāng)?shù)脑骷渲须娮韬碗娙菖cPCB中的一樣，電感是根據(jù)芯片管腳的長(zhǎng)度定義的。當(dāng)電感為1.1 nH時(shí)比擬的效果最好。為了更直觀地看到擬合的效果，采用了Smith圓圖來比較它們的S參數(shù)的Smith圓圖，如圖2所示。其中，有圓點(diǎn)的線為廠商提供的S參數(shù)調(diào)整以后的結(jié)果S（3，3），S（4，4），S（4，3），S（3，4），分別對(duì)應(yīng)著圖中曲線所示實(shí)測(cè)結(jié)果的S參數(shù)S（1，1），S（2，2），S（2，1），S（1，2），從圖中可以看到兩種S參數(shù)的擬合的效果比較理想。

3 低噪聲放大器的原理圖設(shè)計(jì)

　　3.1 穩(wěn)定性分析

　　因?yàn)樘崛〉腟參數(shù)為特定電壓、電流和電路結(jié)構(gòu)下的S參數(shù)，因而在控件中這種仿真環(huán)境已經(jīng)包含在里面，就不需要再專門設(shè)計(jì)偏置電路，接下來需要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析。確保其工作在穩(wěn)定條件下，穩(wěn)定性是低噪聲放大器設(shè)計(jì)的重要特性之一。很明顯，如果低噪聲放大器電路性能不穩(wěn)定，會(huì)成為一個(gè)振蕩器。下面是穩(wěn)定性要滿足的3個(gè)條件：

　　|S22|2<1-|S12S21|（2）

　　|S22|2<1-|S12S21|（3）

　　K稱為穩(wěn)定判別系數(shù)，K>1是穩(wěn)定狀態(tài)。只有當(dāng)3個(gè)條件都滿足時(shí)，才能保證放大器是絕對(duì)穩(wěn)定的[1]。一般采取穩(wěn)定性的措施有：（1）引入負(fù)反饋；（2）在管子的輸入或者輸出端口串并聯(lián)電阻[3]。這兩種方法都有效，但是一般在設(shè)計(jì)中往往采取多種相組合的方式來做穩(wěn)定。圖3是已經(jīng)做好穩(wěn)定性的電路，在其輸入端口并聯(lián)了50 的電阻，輸出端口串聯(lián)了一個(gè)22 和并聯(lián)了一個(gè)500 的電阻，并加入了負(fù)反饋。圖4為穩(wěn)定性曲線，可以看到在0~11 GHz上大于1，都是穩(wěn)定的，確保了芯片工作在穩(wěn)定狀態(tài)。

　　3.2 電路的輸入輸出匹配

　　在設(shè)計(jì)低噪聲放大器時(shí)，既要求取得最好的噪聲系數(shù)，又要求最大的增益。因此在調(diào)節(jié)整個(gè)電路的穩(wěn)定性時(shí)，就要考慮到最好增益和最佳噪聲系數(shù)之間的關(guān)系，如圖5為等增益圓和等噪聲系數(shù)的Smith圓圖。

　　最佳噪聲和增益點(diǎn)的匹配是低噪聲放大器設(shè)計(jì)關(guān)鍵，GammaS是源反射系數(shù)的最佳值，是從分立元件向源看去的。圖中兩個(gè)圓圈，深色代表增益圓，步進(jìn)為1 dB，gain=14.197處的小圓點(diǎn)代表著最佳增益點(diǎn)；淺色的為噪聲圓，其步進(jìn)為0.2 dB，其圓心代表著最佳的噪聲點(diǎn)。根據(jù)Hau′s的理論，如果式GammaS=S*11成立，則分立器件的最小噪聲系數(shù)與最大增益將同時(shí)達(dá)到[5]。因此為了獲得較好的噪聲系數(shù)和較好的增益，在設(shè)計(jì)的過程中盡量使S*11和GammaS相接近，圖5是以GPS為例，其中m9為GSP在頻率1 575.42 MHz的S11所在的點(diǎn)，對(duì)其取共軛可以想象它和GammaS非常接近。調(diào)整好最佳的源反射系數(shù)以后，就要對(duì)其進(jìn)行輸入輸出匹配。以GPS為例給出了匹配的電路如圖6所示。

　　原理圖匹配號(hào)好以后進(jìn)行原理圖仿真，如果原理圖仿真沒有問題，則進(jìn)行聯(lián)合仿真。經(jīng)過調(diào)試以后的聯(lián)合仿真電路如圖7所示，聯(lián)合仿真是用來消除分立器件和走線的分布參數(shù)等對(duì)結(jié)果的影響。最后聯(lián)合仿真的結(jié)果如圖8、9所示。其中包含了S（1，1），S（2，2），S（1，2），S（2，1）以及噪聲系數(shù)和穩(wěn)定性，都滿足要求。

4 焊接和測(cè)試

　　最后按照聯(lián)合仿真結(jié)果的數(shù)值，進(jìn)行電路板的焊接，焊接的時(shí)同樣也是要注意連接頭的焊接的一致性，焊接完成以后要對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試的結(jié)果作適當(dāng)調(diào)整（由于分立元件個(gè)體之間的差異，以及電路板本身存在寄生電容和電感會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定的偏差）。

　　測(cè)試設(shè)備選用Agilent的E5071C，可以直接導(dǎo)出測(cè)量結(jié)果為S2P格式，可以被ADS仿真軟件讀取，方便以后仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果的比對(duì)。圖10為未經(jīng)任何調(diào)試之前的測(cè)試結(jié)果，從圖上的Smith圓圖中可以看到，和圖9中的Smith圓圖相比其輸入輸出和仿真結(jié)果相比有一點(diǎn)失配，造成這種現(xiàn)象主要是因?yàn)樵趯?shí)際的電路中會(huì)存在一些寄生的電感或者電容，導(dǎo)致了與仿真的偏差，從圖10中可以看出這種偏差比較小，只需要簡(jiǎn)單的微調(diào)即可。最終在實(shí)際調(diào)試中對(duì)輸入端口匹配中的串聯(lián)電感、輸出匹配中的串聯(lián)電容進(jìn)行了微調(diào)調(diào)試以后，我們得到調(diào)試以后的測(cè)試結(jié)果如圖11所示，初步判斷和仿真的結(jié)果比較相似。

5 實(shí)測(cè)結(jié)果和聯(lián)合仿真的結(jié)果比對(duì)

　　將通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提取出低噪聲放大器的S參數(shù)，導(dǎo)入到ADS中，為了更直觀地看到兩種S參數(shù)的比對(duì)效果，采用Smith圓圖來比對(duì)。圖12、13分別是GPS和BD兩組不同頻率的S參數(shù)的擬合效果。圖中分別是GPS和BD的S參數(shù)的Smith圓圖，其中有圓點(diǎn)的曲線表示實(shí)測(cè)結(jié)果S（3，3），S（4，4），S（4，3），S（3，4）分別與平滑曲線聯(lián)合仿真的結(jié)果S（1，1），S（2，2），S（2，1），S（1，2）相對(duì)應(yīng)。從圖中可以看到，經(jīng)微調(diào)后得到的結(jié)果和聯(lián)合仿真的結(jié)果都比較接近，通過這兩組結(jié)果的比對(duì)，可以說明這種方法的可靠性和準(zhǔn)確性。

　　對(duì)于工程師而言，能夠通過EDA仿真軟件設(shè)計(jì)出性能較好的射頻電路，然而在設(shè)計(jì)出的實(shí)際電路中，往往會(huì)受電路結(jié)構(gòu)及芯片電路封裝等影響，很難達(dá)到仿真中的性能，也增加了調(diào)試的難度。本文中以設(shè)計(jì)GPS（1575.42 MHz）和北斗（1268.52 MHz）兩個(gè)不同頻段的低噪聲放大器來說明通過TRL校準(zhǔn)這種方法可以提高低噪聲放大器的設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性，可以得到與仿真性能逼近的實(shí)際電路，對(duì)于設(shè)計(jì)高標(biāo)準(zhǔn)的低噪聲放大器在實(shí)際應(yīng)用中有很好的實(shí)用性。

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