射頻(rf)器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)

1、射頻器件基礎(chǔ)知識2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識2目錄 射頻電路基本概念 阻抗 噪聲 S參數(shù) 非線性失真 功率 射頻器件基礎(chǔ)知識（主要功能、關(guān)鍵指標、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理） 射頻放大器 射頻開關(guān) 射頻衰減器 功分器、耦合器 環(huán)形器、隔離器 混頻器 濾波器2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識3射頻電路基礎(chǔ)阻抗 阻抗的定義 特征阻抗 端口阻抗 反射系數(shù)與駐波系數(shù) 阻抗匹配2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識4阻抗的定義 射頻電路中阻抗的概念有很多，對于器件有器件阻抗，對于2端口網(wǎng)絡(luò)有輸入阻抗和輸出阻抗，對于傳輸線有特性阻抗2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識5特征阻抗 特征阻抗是微波傳輸線的固有特性，可以理解為

2、傳輸線上入射電壓波與入射電流波之比。 對于TEM波傳輸線，特征阻抗又等于單位長度分布電抗與導(dǎo)納之比。無耗傳輸線的特征阻抗為實數(shù)，有耗傳輸線的特征阻抗為復(fù)數(shù)。2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識62022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識7端口阻抗 我們分析阻抗和阻抗匹配問題的目的就在于使電路中任意一個參考平面向源端和向負載端的阻抗相等，從而使信號完全通過該參考面，不發(fā)生反射。如果對于某參考面2端阻抗不等則會產(chǎn)生反射現(xiàn)象形成駐波。見下圖：在參考面A處 情況1：阻抗連續(xù)，沒有反射，傳輸線上各點電壓相等，形成行波 情況2：阻抗跳變，發(fā)生反射，形成駐波 情況3：短路或開路發(fā)生全反射AZlZo2022-2-3射頻器件

3、基礎(chǔ)知識8反射系數(shù)與駐波系數(shù) 反射系數(shù)： 定義為反射信號電壓電平與入射信號電壓電平之比 駐波系數(shù)： 定義為射頻信號包絡(luò)的最大值與射頻信號包絡(luò)的最小值之比AZlZoZlZoZlZoVSWR112022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識9阻抗匹配2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識10射頻電路基礎(chǔ)噪聲 什么是噪聲？ 噪聲與干擾 噪聲因子與噪聲系數(shù)2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識11什么是噪聲？ 信號中所有的無用成分都稱為噪聲干擾 任何射頻電子系統(tǒng)都是在噪聲與干擾環(huán)境下工作的，射頻電子系統(tǒng)的任務(wù)之一是與噪聲及干擾作斗爭，盡可能減小系統(tǒng)本身產(chǎn)生的噪聲，盡可能在傳遞信號、處理信號的過程中使信噪比的惡化降到最小，這是設(shè)

4、計射頻電子系統(tǒng)首要考慮的問題。2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識12噪聲與干擾 噪聲可分為自然的和人為的噪聲 自然噪聲有熱噪聲、散粒噪聲和閃爍噪聲等 人為噪聲有交流噪聲、感應(yīng)噪聲和接觸不良噪聲等 干擾一般來自于外部，也分為自然的和人為的干擾 自然干擾有天電干擾、宇宙干擾和大地干擾等 人為干擾主要有工業(yè)干擾和無線電臺干擾2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識13噪聲因子與噪聲系數(shù) 噪聲系數(shù)決定了接收靈敏度的好壞，是用來衡量射頻部件對小信號的處理能力 噪聲因子與噪聲系數(shù) 噪聲因子用Nf（或F）表示，定義為： 即輸入信噪比與輸出信噪比的比值，表示信噪比惡化的情況 噪聲系數(shù)用NF表示，定義為： 噪聲的級聯(lián)公式

5、：outoutininNSNSNf NfdBNFlog10G1、NF1G2、NF2Gn、NFnNF總NF1NF21G1.NFn1G1G2.Gn12022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識14射頻電路基礎(chǔ)S參數(shù) 射頻網(wǎng)絡(luò)： S參數(shù) 2端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識15射頻網(wǎng)絡(luò) 射頻設(shè)計中所指的網(wǎng)絡(luò)為具有固定輸入和輸出關(guān)系的一段電路，網(wǎng)絡(luò)有N個輸入輸出接口就叫N端口網(wǎng)絡(luò)2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識16S參數(shù) 對N網(wǎng)絡(luò)進行分析需要常用網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。如Z參數(shù)，A參數(shù)，Y參數(shù)，S參數(shù)等 S參數(shù)的物理意義最明顯，因此分析中使用最廣泛 S參的物理意義在于從某個端口輸入一定的功率后在其他端口引起的輸出

6、，實部表示功率電平，虛部表示相位2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識172端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù) S11為放大器的輸入反射系數(shù) S21為放大器的增益 S22為放大器的輸出反射系數(shù) S12為放大器的反向隔離度2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識18射頻電路基礎(chǔ)非線性失真 什么是線性失真？ 什么是非線性失真？ 非線性失真的主要指標2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識19線性與非線性 線性失真：信號波形的等比例的放大、縮小、相位移動等變化 非線性失真：信號波形的不等比例的放大、縮小、相位移動等變化2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識20非線性失真的主要指標 非線性失真的主要指標 IMD3 IP3 P1dB2022-2-3

7、射頻器件基礎(chǔ)知識21非線性失真的主要指標IMD3 三階交調(diào)（IMD3） 三階交調(diào)（雙音三階交調(diào)）是用來衡量非線性的一個重要指標三階交調(diào)五階交調(diào)IMD3三階交調(diào)常用dBc表示，即交調(diào)產(chǎn)物與主輸出信號的比2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識22非線性失真的主要指標IP3、P1dBIP3任一微波單元電路，輸入信號增加1dB，輸出三階交調(diào)產(chǎn)物將增加3dB，這樣輸入信號電平增加到一定值時，輸出三階交調(diào)產(chǎn)物與主輸出信號相等，這一點稱為三階截止點PndBndB壓縮點用來衡量電路輸出功率的能力當輸入信號較小時，其輸出與輸入可以保證線性關(guān)系，隨著輸入信號電平的增加，輸入電平增加1dB，輸出將增加不到1dB，增益開始

8、壓縮，增益壓縮ndB時的輸入信號電平稱為輸入ndB壓縮點2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識23射頻電路基礎(chǔ)功率 射頻信號的功率常用dBm、dBW表示，它與mW、W的換算關(guān)系如下： 例如信號功率為x W，利用dBm表示時其大小為： 例如：1W等于30dBm，等于0dBW。p dBm() 10 logx 100012022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識24目錄 射頻電路基本概念 阻抗 噪聲 S參數(shù) 功率 線性與非線性 射頻器件基礎(chǔ)知識（主要功能、關(guān)鍵指標、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理） 射頻放大器 射頻開關(guān) 射頻衰減器 功分器、耦合器 環(huán)形器、隔離器 混頻器 濾波器（聲表、介質(zhì)） VCO、頻綜2022-2-3射頻器

9、件基礎(chǔ)知識25射頻放大器 低噪聲放大器 主要功能、關(guān)鍵指標、分類 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 工作原理 射頻小信號放大器 主要功能、關(guān)鍵指標、分類 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 工作原理 射頻大功率放大器 主要功能、關(guān)鍵指標、分類 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 工作原理2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識26低噪聲放大器功能、指標 功能： 在盡量小的惡化系統(tǒng)噪聲系數(shù)的前提下，對信號進行放大 主要指標： 噪聲系數(shù) 增益 分類 分離器件 與 MMIC MESFET 與 HEMT/pHEMT2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識27低噪聲放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 以ATF-54143為例2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識28低噪聲放大器工作原理 MESFET工作原理： 表面溝道

10、型器件 源S、漏D、柵G：載流子經(jīng)溝道自S到D；G電位控制著溝道寬度 源-漏間距LSD、柵長LG與溝道內(nèi)電子漂移速度v決定器件頻率特性；WG 決定器件RF電流增益、功率2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識29低噪聲放大器工作原理 HEMT/pHEMT工作原理： 與MESFET基本相同的器件結(jié)構(gòu) 2DEG溝道層 柵電容控制2DEG電流的強弱 源-漏間距LSD、柵長LG與溝道內(nèi)電子漂移速度v決定器件頻率特性；WG決定器件RF電流增益、功率HEMT原理原理PHEMT層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)2DEG層層2D2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識30射頻小信號放大器功能、指標 功能： 信號的線性放大 主要指標： 增益 P1d

11、B OIP3 噪聲系數(shù) 分類 Si、SiGe、GaAs 與 InGaP HBT 與 MESFET2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識31射頻小信號放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 以SGA-6486為例2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識32射頻小信號放大器工作原理SubcollectorField OxideChannelStopBEBCMetal 2Metal1P-Substrate 20 cmC deep Base - SiGe replaces SiliconSubcollector Only Difference2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識33射頻小信號放大器工作原理 SGA-6486內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)2022

12、-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識34射頻大功率放大器功能、指標 功能： 大功率信號的線性放大、輸出 主要指標： 增益 P1dB OIP3 Pout 分類 分離、單片集成、混合集成 Si、GaAs、SiC LDMOS、VDMOS、BJT2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識35射頻大功率放大器(LDMOS) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識36 LDMOS平面結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片(MRF9080)：射頻大功率放大器(LDMOS) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識37射頻大功率放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片集成混合集成2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識38射頻大功率放大器(LDMOS) 工作原理 LDMOS剖面

13、結(jié)構(gòu) LDMOS，Laterally Double-Diffused Metal Oxide Semiconductors，橫向雙擴散晶體管 LDMOS是為射頻功率放大器設(shè)計的改進的n溝道增強型MOSFET。LDMOS FET典型剖面結(jié)構(gòu)圖2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識39LDMOS 結(jié)構(gòu)特點 橫向溝道 LDMOS最大的特征是具有橫向溝道結(jié)構(gòu)，漏極、源極和柵極都在芯片表面 雙擴散技術(shù)（Double Diffusion） LDMOS采用雙擴散技術(shù)，在同一光刻窗口相繼進行硼（B，形成 P- 區(qū)）、磷（P，形成 N- 區(qū)）兩次擴散，由兩次雜質(zhì)擴散橫向結(jié)深之差可以精確地決定溝道長度 L 。由于目前擴

14、散工藝很成熟，溝道長度L可以做得很?。?um以下）并且不受光刻精度的限制 無BeO隔離層 一般地，襯底直接接地，不需BeO隔離，以降低熱阻，達到最好的散熱效果，同時減低了封裝成本。由于BeO為有毒物質(zhì)，不用BeO有利于保護環(huán)境2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識40LDMOS 結(jié)構(gòu)特點 P+ Sinker 連接源極到襯底，消除連接源極的表層鍵合絲 N-LDD（Lightly Doped Drain ，輕摻雜漏極） 在溝道與漏極之間有一個低濃度的 n- 漂移區(qū)（N- LDD），LDD可以通過注入磷（P）或砷（As）離子得到。LDD的影響是兩方面的：一方面，與傳統(tǒng)的注入N+工藝相比，漏極區(qū)域的電場強度

15、（是導(dǎo)致熱載流子的主要原因）大約降低80%，同時提高了漏極擊穿電壓，另一方面，N-注入也使源漏間串聯(lián)電阻增加，降低了器件的跨導(dǎo) Faraday Shield（法拉第屏蔽） 起屏蔽作用，可以降低柵極邊緣電場，從而提高漏源擊穿電壓，減小生成熱載流子的因素。同時，也降低了柵極（輸入）和漏極（輸出）間的寄生電容（Cdg） 然而，法拉弟屏蔽層也相應(yīng)的增加了Cgs的值。在電路設(shè)計中，優(yōu)化輸入匹配網(wǎng)絡(luò)可以抵消增加的Cgs2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識41射頻開關(guān)功能、指標 功能： 控制信號、選擇通道 主要指標： 插入損耗 隔離度 分類 GaAs、Si Pin管、MESFET、PHEMT、SOI MOSFE

16、T 單刀單擲開關(guān)、單刀雙擲開關(guān)、單刀四擲開關(guān)、雙刀雙擲開關(guān)等2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識42射頻開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 以AS123為例：2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識43射頻開關(guān)工作原理 并聯(lián)型：插損小、隔離差 串聯(lián)型：隔離好、駐波差2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識44射頻開關(guān)工作原理 “” 型：各項指標較平均 “T ” 型：隔離度高2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識45射頻開關(guān)工作原理 浮地應(yīng)用 優(yōu)點：正壓控制 缺點：引入浮地電容2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識46射頻衰減器功能、指標 功能 調(diào)整增益、控制輸出功率 主要指標 衰減量 插入損耗 分類 PIN管、MESFET 壓控衰減器、數(shù)控衰減器

17、2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識47射頻衰減器內(nèi)部結(jié)構(gòu)壓控衰減器AT110數(shù)控衰減器AT65（內(nèi)部帶有CMOS驅(qū)動芯片）2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識48射頻衰減器工作原理 壓控衰減器原理 電壓控制MESFET導(dǎo)通程度2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識49射頻衰減器工作原理 數(shù)控衰減器原理 MESFET作為控制元件 PI型或T型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)作為衰減元件2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識50射頻衰減器工作原理 數(shù)控衰減器原理C2R6R23R18C3Q3R4Q7R16Q1R15R3R19C1R21/VC2R8Q8Q4Q10R2Q5/VC1R9R12R10VC2R20RF1Q9R1R7VC1Q2/VC

18、3R13Q6VC3R5R17R11RF2/VC4R22R142022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識51功分器、耦合器功能、指標 功能 功率的分配、耦合 主要指標 工作頻率范圍 插入損耗 隔離度 分類 功分器： 電阻、電容 威爾金森 磁芯材料 GaAs IC 耦合器： 帶狀線復(fù)合材料 GaAs IC LTCC2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識52功分器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 威爾金森功分器 磁芯材料功分器0z0z0z0z0zR1230z0z2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識53功分器內(nèi)部結(jié)構(gòu) GaAs IC功分器 以PD09為例：2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識54耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 帶狀線復(fù)合材料 GaAs IC2022

19、-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識55功分器、耦合器工作原理 功分器工作原理 耦合器工作原理p o rt 1p o rt 2in/sump o rt 32022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識56環(huán)形器、隔離器功能、指標 功能 控制信號單向傳送，在大信號場合用于改善電路匹配，駐波檢測等應(yīng)用 主要指標 工作頻率范圍 插入損耗 反向隔離度 功率容量 分類 上磁結(jié)構(gòu) 上下磁結(jié)構(gòu) 側(cè)磁結(jié)構(gòu)2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識57環(huán)形器、隔離器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 環(huán)形器的三種結(jié)構(gòu)：2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識58環(huán)形器、隔離器工作原理 環(huán)形器與隔離器的區(qū)別 3端口接匹配負載的環(huán)形器，稱為隔離器2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識59環(huán)

20、形器、隔離器工作原理 環(huán)行器結(jié)構(gòu)與原理 法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、鐵磁共振效應(yīng)2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識60環(huán)形器、隔離器工作原理2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識61混頻器功能、指標 功能 利用混頻二極管的非線性特性實現(xiàn)頻率的搬移 主要指標 變頻損耗（無源） 或變頻增益（有源） 噪聲系數(shù) IIP3 工作頻率范圍 隔離度 鏡頻抑制度 分類 無源二極管混頻器 有源吉爾伯特混頻器 MESFET混頻器2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識62無源二極管混頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 由二極管管堆、傳輸變壓器BALUN、陶瓷或者FR-4基板制作的混頻器是業(yè)界主流結(jié)構(gòu)形式。二極管管堆的頻率范圍可以做的很寬，傳輸變壓器形式的BALU

21、N也具有寬頻程的優(yōu)點2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識63吉爾伯特混頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu) Gilbert 于1967年發(fā)明，吉爾伯特混頻器采用純IC制作工藝，MOSFET與BJT是兩種主要的結(jié)構(gòu)單元。材料一般選用Si、SiGe、GaAs，后者制造的器件噪聲系數(shù)與頻率特性優(yōu)良2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識64無源MESFET混頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 管芯多采用了MESFET平衡式管堆結(jié)構(gòu)， 其余與二極管混頻器基本類似2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識65有源MESFET混頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu) MMIC MESFET 混頻器*Q1Q2R2R1R3T1C6C5C4C2C1C7C3L1RFLOIF2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識66混頻器工作原理射頻信號與本振信號通過混頻器的相乘作用后，在中頻口產(chǎn)生諸多新的頻率分量。其中中頻分量是其中之一混頻器的本振信號為高功率輸入，用于控制二極管或者場效應(yīng)管的開通與截止2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識67混頻器工作原理 上圖分別為中頻端口的時域與頻域圖形。2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識68濾波器（聲表、介質(zhì)） 功能、指標 功能 抑制通道中不需要的頻率成分，保證各個信號通道的相互獨立 主要指標 中心頻率 帶寬 帶外抑制度 分類 高通濾波器、低通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器 LC濾波器 聲表濾波器 介質(zhì)濾波器 連體式 分立式2022-2-3射頻器件基礎(chǔ)知識69聲表濾波器內(nèi)部結(jié)