射频器件基础知识培训.ppt

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射频器件基础知识 射频器件基础知识 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 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 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 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TEM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 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 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 阻抗匹配 射频器件基础知识 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 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 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 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 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 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 S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 2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 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 线性与非线性 线性失真：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 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 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 非线性失真的主要指标 ——IP3、P1dB IP3 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，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 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 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、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 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 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 低噪声放大器 ——内部结构 以ATF-54143为例 射频器件基础知识 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 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 射频小信号放大器 ——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 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 射频小信号放大器 ——工作原理 射频器件基础知识 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 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 射频器件基础知识 射频大功率放大器(LDMOS) ——内部结构 射频器件基础知识 射频大功率放大器(LDMOS) ——内部结构 LDMOS平面结构的扫描电镜照片(MRF9080)： 射频器件基础知识 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 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 LDMOS 结构特点 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 LDMOS 结构特点 P+ Sinker 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 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 射频开关 ——内部结构 以AS123为例： 射频器件基础知识 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 射频开关 ——工作原理 “Γ” 型：各项指标较平均 “T ” 型：隔离度高 射频器件基础知识 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 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 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 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 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 射频衰减器 ——工作原理 数控衰减器原理 射频器件基础知识 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 隔离度 分类 功分器： 电阻、电容 威尔金森 磁芯材料 GaAs IC 耦合器： 带状线复合材料 GaAs IC LTCC 射频器件基础知识 功分器 ——内部结构 威尔金森功分器 磁芯材料功分器 射频器件基础知识 功分器 ——内部结构 GaAs IC功分器 以PD09为例： 射频器件基础知识 耦合器 ——内部结构 带状线复合材料 GaAs IC 射频器件基础知识 功分器、耦合器 ——工作原理 功分器工作原理 耦合器工作原理 射频器件基础知识 环形器、隔离器 ——功能、指标 功能 控制信号单向传送，在大信号场合用于改善电路匹配，驻波检测等应用 主要指标 工作频率范围 插入损耗 反向隔离度 功率容量 分类 上磁结构 上下磁结构 侧磁结构 射频器件基础知识 环形器、隔离器 ——内部结构 环形器的三种结构： 射频器件基础知识 环形器、隔离器 ——工作原理 环形器与隔离器的区别 3端口接匹配负载的环形器，称为隔离器 射频器件基础知识 环形器、隔离器 ——工作原理 环行器结构与原理 法拉第旋转效应、铁磁共振效应 射频器件基础知识 环形器、隔离器 ——工作原理 射频器件基础知识 混频器 ——功能、指标 功能 利用混频二极管的非线性特性实现频率的搬移 主要指标 变频损耗（无源） 或变频增益（有源） 噪声系数 IIP3 工作频率范围 隔离度 镜频抑制度 分类 无源二极管混频器 有源吉尔伯特混频器 MESFET混频器 射频器件基础知识 无源二极管混频器 ——内部结构 由二极管管堆、传输变压器BALUN、陶瓷或者FR-4基板制作的混频器是业界主流结构形式。二极管管堆的频率范围可以做的很宽，传输变压器形式的BALUN也具有宽频程的优点 射频器件基础知识 吉尔伯特混频器 ——内部结构 Gilbert 于1967年发明，吉尔伯特混频器采用纯IC制作工艺，MOSFET与BJT是两种主要的结构单元。材料一般选用Si、SiGe、GaAs，后者制造的器件噪声系数与频率特性优良 射频器件基础知识 无源MESFET混频器 ——内部结构 管芯多采用了MESFET平衡式管堆结构， 其余与二极管混频器基本类似 射频器件基础知识 有源MESFET混频器 ——内部结构 MMIC MESFET 混频器 射频器件基础知识 混频器 ——工作原理 射频信号与本振信号通过混频器的相乘作用后，在中频口产生诸多新的频率分量。其中中频分量是其中之一 混频器的本振信号为高功率输入，用于控制二极管或者场效应管的开通与截止 射频器件基础知识 混频器 ——工作原理 上图分别为中频端口的时域与频域图形。 射频器件基础知识 滤波器（声表、介质） ——功能、指标 功能 抑制通道中不需要的频率成分，保证各个信号通道的相互独立 主要指标 中心频率 带宽 带外抑制度 分类 高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器 LC滤波器 声表滤波器 介质滤波器 连体式 分立式 射频器件基础知识 声表滤波器 ——内部结构 射频器件基础知识 声表滤波器 ——工作原理 声表滤波器的工作原理 电信号→声表面波→电信号 射频器件基础知识 介质滤波器 ——内部结构 连体式 分体式 射频器件基础知识 λ/4均匀阻抗介质谐振器 结构特点 终端短路同轴线 特征阻抗均匀分布 结构参数 a －内孔半径 b －外孔半径 l －谐振器长度 εr －介质的相对介电常数 σC－金属的电导率 射频器件基础知识 λ/4均匀阻抗介质谐振器 1. 特征阻抗 2. 无载Q值 3. 输入阻抗特性 4. 谐振条件(|Zin|→+∞) 5. 并联谐振特性 射频器件基础知识 介质滤波器 ——工作原理 射频器件基础知识 声表与介质的比较 介质滤波器与SAW滤波器的比较 小 ★大 功率容量 ★高 低 频率选择性 体积 插入损耗 中心频率(Hz) 类别 考察指标 ★小 大 高 ★低 107~109 ★108~1010 SAW滤波器 介质滤波器 中心频率高，插入损耗低，功率容量大，使介质滤波器成为目前3G基站设备射频信号滤波器的首选。 3G终端设备由于对体积要求苛刻，则大部分采用SAW滤波器。 10 ★ 30 最大输入功率(dBm) ★ 38@1950MHz 35@1950MHz 带外抑制 (dB) L×W×H (mm) 插入损耗 /带内抖动(dB) 中心频率/带宽 (MHz) 类别 考察指标 ★ ×× ×× ★ 2140/60 2140/60 B3669 B69812N2147A360 ★ —— Better 数据来源：EPCOS网站（） 射频器件基础知识 培 训 完 毕 谢 谢 射频器件基础知识 常见的噪声有来自外部的天电噪声，汽车的点火噪声，来自系统内部的热噪声，晶体管等在工作时产生的散粒噪声，信号与噪声的互调产物。 常见的噪声有来自外部的天电噪声，汽车的点火噪声，来自系统内部的热噪声，晶体管等在工作时产生的散粒噪声，信号与噪声的互调产物。 常见的噪声有来自外部的天电噪声，汽车的点火噪声，来自系统内部的热噪声，晶体管等在工作时产生的散粒噪声，信号与噪声的互调产物。 其实单个MESFET并联或串联在射频通道上，就是一个基本的开关控制单元。但这种基本的控制单元性能指标一般不能满足实际应用的需要。例如并联型的隔离度较差、而串联型的驻波较差，并且因为MESFET是负压控制型器件，所以直接应用时电路设计比较麻烦。 其实单个MESFET并联或串联在射频通道上，就是一个基本的开关控制单元。但这种基本的控制单元性能指标一般不能满足实际应用的需要。例如并联型的隔离度较差、而串联型的驻波较差，并且因为MESFET是负压控制型器件，所以直接应用时电路设计比较麻烦。 其实单个MESFET并联或串联在射频通道上，就是一个基本的开关控制单元。但这种基本的控制单元性能指标一般不能满足实际应用的需要。例如并联型的隔离度较差、而串联型的驻波较差，并且因为MESFET是负压控制型器件，所以直接应用时电路设计比较麻烦。