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1、射频器件基础知识*射频器件基础知识2目录 射频电路基本概念 阻抗 噪声 S参数 非线性失真 功率 射频器件基础知识（主要功能、关键指标、 内部结构、工作原理） 射频放大器 射频开关 射频衰减器 功分器、耦合器 环形器、隔离器 混频器 滤波器*射频器件基础知识3射频电路基础 阻抗 阻抗的定义 特征阻抗 端口阻抗 反射系数与驻波系数 阻抗匹配*射频器件基础知识4阻抗的定义 射频电路中阻抗的概念有很多，对于器 件有器件阻抗，对于2端口网络有输入阻 抗和输出阻抗，对于传输线有特性阻抗*射频器件基础知识5特征阻抗 特征阻抗是微波传输线的固有特性，可以理解 为传输线上入射电压波与入射电流波之比。 对于TE
2、M波传输线，特征阻抗又等于单位长度 分布电抗与导纳之比。无耗传输线的特征阻抗 为实数，有耗传输线的特征阻抗为复数。*射频器件基础知识6*射频器件基础知识7端口阻抗 我们分析阻抗和阻抗匹配问题的目的就在于使电路中 任意一个参考平面向源端和向负载端的阻抗相等，从 而使信号完全通过该参考面，不发生反射。如果对于 某参考面2端阻抗不等则会产生反射现象形成驻波。见 下图：在参考面A处 情况1：阻抗连续，没有反射，传输线上各点电压相等 ，形成行波 情况2：阻抗跳变，发生反射，形成驻波 情况3：短路或开路发生全反射*射频器件基础知识8反射系数与驻波系数 反射系数： 定义为反射信号电压电平 与入射信号电压电平
3、之比 驻波系数： 定义为射频信号包络的最 大值与射频信号包络的最 小值之比*射频器件基础知识9阻抗匹配*射频器件基础知识10射频电路基础 噪声 什么是噪声？ 噪声与干扰 噪声因子与噪声系数*射频器件基础知识11什么是噪声？ 信号中所有的无用成分都称为噪声干扰 任何射频电子系统都是在噪声与干扰环境下工 作的，射频电子系统的任务之一是与噪声及干 扰作斗争，尽可能减小系统本身产生的噪声， 尽可能在传递信号、处理信号的过程中使信噪 比的恶化降到最小，这是设计射频电子系统首 要考虑的问题。*射频器件基础知识12噪声与干扰 噪声可分为自然的和人为的噪声 自然噪声有热噪声、散粒噪声和闪烁噪声等 人为噪声有交
4、流噪声、感应噪声和接触不良 噪声等 干扰一般来自于外部，也分为自然的和 人为的干扰 自然干扰有天电干扰、宇宙干扰和大地干扰 等 人为干扰主要有工业干扰和无线电台干扰*射频器件基础知识13噪声因子与噪声系数 噪声系数决定了接收灵敏度的好坏，是用 来衡量射频部件对小信号的处理能力 噪声因子与噪声系数 噪声因子用Nf（或F）表示，定义为： 即输入信噪比与输出信噪比的比值，表示信噪 比恶化的情况 噪声系数用NF表示，定义为： 噪声的级联公式：*射频器件基础知识14射频电路基础 S参数 射频网络： S参数 2端口网络的S参数*射频器件基础知识15射频网络 射频设计中所指的网络为具有固定输入和输出 关系的
5、一段电路，网络有N个输入输出接口就 叫N端口网络*射频器件基础知识16S参数 对N网络进行分析需要常用网络参数。如Z参数，A参数 ，Y参数，S参数等 S参数的物理意义最明显，因此分析中使用最广泛 S参的物理意义在于从某个端口输入一定的功率后在其 他端口引起的输出，实部表示功率电平，虚部表示相位*射频器件基础知识172端口网络的S参数 S11为放大器的输入 反射系数 S21为放大器的增益 S22为放大器的输出 反射系数 S12为放大器的反向 隔离度*射频器件基础知识18射频电路基础 非线性失真 什么是线性失真？ 什么是非线性失真？ 非线性失真的主要指标*射频器件基础知识19线性与非线性 线性失真
6、：信号波形的等比例的放大、 缩小、相位移动等变化 非线性失真：信号波形的不等比例的放 大、缩小、相位移动等变化*射频器件基础知识20非线性失真的主要指标 非线性失真的主要指标 IMD3 IP3 P1dB*射频器件基础知识21非线性失真的主要指标 IMD3 三阶交调（IMD3） 三阶交调（双音三阶交调）是用来衡量非线 性的一个重要指标三阶交调常用dBc表 示，即交调产物与主 输出信号的比*射频器件基础知识22非线性失真的主要指标 IP3、P1dBIP3 任一微波单元电路，输入信 号增加1dB，输出三阶交调 产物将增加3dB，这样输入 信号电平增加到一定值时， 输出三阶交调产物与主输出 信号相等，
7、这一点称为三阶 截止点 PndB ndB压缩点用来衡量电路输 出功率的能力 当输入信号较小时，其输出 与输入可以保证线性关系， 随着输入信号电平的增加， 输入电平增加1dB，输出将 增加不到1dB，增益开始压 缩，增益压缩ndB时的输入 信号电平称为输入ndB压缩 点*射频器件基础知识23射频电路基础 功率 射频信号的功率常用dBm、dBW表示， 它与mW、W的换算关系如下： 例如信号功率为x W，利用dBm表示时其大 小为： 例如：1W等于30dBm，等于0dBW。*射频器件基础知识24目录 射频电路基本概念 阻抗 噪声 S参数 功率 线性与非线性 射频器件基础知识 （主要功能、关键指标、
8、内部结构、工作原理） 射频放大器 射频开关 射频衰减器 功分器、耦合器 环形器、隔离器 混频器 滤波器（声表、介质） VCO、频综*射频器件基础知识25射频放大器 低噪声放大器 主要功能、关键指标、分类 内部结构 工作原理 射频小信号放大器 主要功能、关键指标、分类 内部结构 工作原理 射频大功率放大器 主要功能、关键指标、分类 内部结构 工作原理*射频器件基础知识26低噪声放大器 功能、指标 功能： 在尽量小的恶化系统 噪声系数的前提下， 对信号进行放大 主要指标： 噪声系数 增益 分类 分离器件 与 MMIC MESFET 与 HEMT/pHEMT*射频器件基础知识27低噪声放大器 内部结
9、构 以ATF-54143为例*射频器件基础知识28低噪声放大器 工作原理 MESFET工作原理： 表面沟道型器件 源S、漏D、栅G：载流子经沟道自S到D；G电位控制着沟道 宽度 源-漏间距LSD、栅长LG与沟道内电子漂移速度v决定器件频率 特性；WG 决定器件RF电流增益、功率*射频器件基础知识29低噪声放大器 工作原理 HEMT/pHEMT工作原理： 与MESFET基本相同的器件结构 2DEG沟道层 栅电容控制2DEG电流的强弱 源-漏间距LSD、栅长LG与沟道内电子漂移速度v决定器件频率 特性；WG决定器件RF电流增益、功率HEMT原理PHEMT层结构2DEG层2D*射频器件基础知识30射
10、频小信号放大器 功能、指标 功能： 信号的线性放大 主要指标： 增益 P1dB OIP3 噪声系数 分类 Si、SiGe、GaAs 与 InGaP HBT 与 MESFET*射频器件基础知识31射频小信号放大器 内部结构 以SGA-6486为例*射频器件基础知识32射频小信号放大器 工作原理*射频器件基础知识33射频小信号放大器 工作原理 SGA-6486内部电路结构*射频器件基础知识34射频大功率放大器 功能、指标 功能： 大功率信号的线性放 大、输出 主要指标： 增益 P1dB OIP3 Pout 分类 分离、单片集成、混 合集成 Si、GaAs、SiC LDMOS、VDMOS、 BJT*
11、射频器件基础知识35射频大功率放大器(LDMOS) 内部结构*射频器件基础知识36 LDMOS平面结构的扫描电镜照片(MRF9080)：射频大功率放大器(LDMOS) 内部结构*射频器件基础知识37射频大功率放大器 内部结构单片集成混合集成*射频器件基础知识38射频大功率放大器(LDMOS) 工作原理 LDMOS剖面结构 LDMOS，Laterally Double-Diffused Metal Oxide Semiconductors，横向双扩散晶体管 LDMOS是为射频功率放大器设计的改进的n沟道增 强型MOSFET。LDMOS FET典型剖面结构图*射频器件基础知识39LDMOS 结构特
12、点 横向沟道 LDMOS最大的特征是具有横向沟道结构，漏极、源极和栅极 都在芯片表面 双扩散技术（Double Diffusion） LDMOS采用双扩散技术，在同一光刻窗口相继进行硼（B， 形成 P- 区）、磷（P，形成 N- 区）两次扩散，由两次杂质扩 散横向结深之差可以精确地决定沟道长度 L 。由于目前扩散 工艺很成熟，沟道长度L可以做得很小（1um以下）并且不受 光刻精度的限制 无BeO隔离层 一般地，衬底直接接地，不需BeO隔离，以降低热阻，达到最 好的散热效果，同时减低了封装成本。由于BeO为有毒物质， 不用BeO有利于保护环境*射频器件基础知识40LDMOS 结构特点 P+ Si
13、nker 连接源极到衬底，消除连接源极的表层键合丝 N-LDD（Lightly Doped Drain ，轻掺杂漏极） 在沟道与漏极之间有一个低浓度的 n- 漂移区（N- LDD）， LDD可以通过注入磷（P）或砷（As）离子得到。LDD的影响 是两方面的：一方面，与传统的注入N+工艺相比，漏极区域 的电场强度（是导致热载流子的主要原因）大约降低80%，同 时提高了漏极击穿电压，另一方面，N-注入也使源漏间串联 电阻增加，降低了器件的跨导 Faraday Shield（法拉第屏蔽） 起屏蔽作用，可以降低栅极边缘电场，从而提高漏源击穿电 压，减小生成热载流子的因素。同时，也降低了栅极（输入 ）和
14、漏极（输出）间的寄生电容（Cdg） 然而，法拉弟屏蔽层也相应的增加了Cgs的值。在电路设计中 ，优化输入匹配网络可以抵消增加的Cgs*射频器件基础知识41射频开关 功能、指标 功能： 控制信号、选择通道 主要指标： 插入损耗 隔离度 分类 GaAs、Si Pin管、MESFET、 PHEMT、SOI MOSFET 单刀单掷开关、单刀 双掷开关、单刀四掷 开关、双刀双掷开关 等*射频器件基础知识42射频开关 内部结构 以AS123为例：*射频器件基础知识43射频开关 工作原理 并联型：插损小、隔离差 串联型：隔离好、驻波差*射频器件基础知识44射频开关 工作原理 “” 型：各项指标较平均 “T
15、” 型：隔离度高*射频器件基础知识45射频开关 工作原理 浮地应用 优点：正压控制 缺点：引入浮地电容*射频器件基础知识46射频衰减器 功能、指标 功能 调整增益、控制输出 功率 主要指标 衰减量 插入损耗 分类 PIN管、MESFET 压控衰减器、数控衰 减器*射频器件基础知识47射频衰减器 内部结构压控衰减器AT110数控衰减器AT65 （内部带有CMOS驱动芯片）*射频器件基础知识48射频衰减器 工作原理 压控衰减器原理 电压控制MESFET导通程度*射频器件基础知识49射频衰减器 工作原理 数控衰减器原理 MESFET作为控制元件 PI型或T型电阻衰减网络作为衰减元件*射频器件基础知识50射频衰减器 工作原理 数控衰减器原理*射频器件基础知识51功分器、耦合器 功能、指标 功能 功率的分配、耦合 主要指标 工作频率范围 插入损耗
