射頻(rf)器件基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)

1、射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)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(shí)（主要功能、關(guān)鍵指標(biāo)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理） 射頻放大器 射頻開(kāi)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2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)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2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)4阻抗的定義 射頻電路中阻抗的概念有很多，對(duì)于器件有器件阻抗，對(duì)于2端口網(wǎng)絡(luò)有輸入阻抗和輸出阻抗，對(duì)于傳輸線有特性阻抗2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)5特征阻抗 特征阻抗是微波傳輸線的固有特性，可

2、以理解為傳輸線上入射電壓波與入射電流波之比。 對(duì)于TEM波傳輸線，特征阻抗又等于單位長(zhǎng)度分布電抗與導(dǎo)納之比。無(wú)耗傳輸線的特征阻抗為實(shí)數(shù)，有耗傳輸線的特征阻抗為復(fù)數(shù)。2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)62022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)7端口阻抗 我們分析阻抗和阻抗匹配問(wèn)題的目的就在于使電路中任意一個(gè)參考平面向源端和向負(fù)載端的阻抗相等，從而使信號(hào)完全通過(guò)該參考面，不發(fā)生反射。如果對(duì)于某參考面2端阻抗不等則會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象形成駐波。見(jiàn)下圖：在參考面A處 情況1：阻抗連續(xù)，沒(méi)有反射，傳輸線上各點(diǎn)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(kāi)路發(fā)生全反射AZlZo2022-6

3、-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)8反射系數(shù)與駐波系數(shù) 反射系數(shù)： 定義為反射信號(hào)電壓電平與入射信號(hào)電壓電平之比 駐波系數(shù)： 定義為射頻信號(hào)包絡(luò)的最大值與射頻信號(hào)包絡(luò)的最小值之比AZlZoZlZoZlZoVSWR112022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)9阻抗匹配2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)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)2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)11什么是噪聲？ 信號(hào)中所有的無(wú)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(zhēng)，盡可能減小系統(tǒng)本身產(chǎn)生的噪聲，盡可能在傳遞信號(hào)、處理信號(hào)的過(guò)程中使信噪比的

4、惡化降到最小，這是設(shè)計(jì)射頻電子系統(tǒng)首要考慮的問(wèn)題。2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)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(lái)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(wú)線電臺(tái)干擾2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)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(lái)衡量射頻部件對(duì)小信號(hào)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，

5、定義為： 噪聲的級(jí)聯(lián)公式：outoutininNSNSNf NfdBNFlog10G1、NF1G2、NF2Gn、NFnNF總NF1NF21G1.NFn1G1G2.Gn12022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)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)2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)15射頻網(wǎng)絡(luò) 射頻設(shè)計(jì)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(gè)輸入輸出接口就叫N端口網(wǎng)絡(luò)2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)16S參數(shù) 對(duì)N網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(gè)端口輸入一

6、定的功率后在其他端口引起的輸出，實(shí)部表示功率電平，虛部表示相位2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)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2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)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(biāo)2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)19線性與非線性 線性失真：信號(hào)波形的等比例的放大、縮小、相位移動(dòng)等變化 非線性失真：信號(hào)波形的不等比例的放大、縮小、相位移動(dòng)等變化2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)20非線性失真的主要指標(biāo) 非線性失真的主要指標(biāo) IM

7、D3 IP3 P1dB2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)21非線性失真的主要指標(biāo)IMD3 三階交調(diào)（IMD3） 三階交調(diào)（雙音三階交調(diào)）是用來(lái)衡量非線性的一個(gè)重要指標(biāo)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(hào)的比2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)22非線性失真的主要指標(biāo)IP3、P1dBIP3任一微波單元電路，輸入信號(hào)增加1dB，輸出三階交調(diào)產(chǎn)物將增加3dB，這樣輸入信號(hào)電平增加到一定值時(shí)，輸出三階交調(diào)產(chǎn)物與主輸出信號(hào)相等，這一點(diǎn)稱為三階截止點(diǎn)PndBndB壓縮點(diǎn)用來(lái)衡量電路輸出功率的能力當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí)，其輸出與輸入可以保證線性關(guān)系，隨著輸入信號(hào)電平的增加，輸入電平

8、增加1dB，輸出將增加不到1dB，增益開(kāi)始?jí)嚎s，增益壓縮ndB時(shí)的輸入信號(hào)電平稱為輸入ndB壓縮點(diǎn)2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)23射頻電路基礎(chǔ)功率 射頻信號(hào)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(hào)功率為x W，利用dBm表示時(shí)其大小為： 例如：1W等于30dBm，等于0dBW。p dBm() 10 logx 100012022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)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(shí)（主要功能、關(guān)鍵指標(biāo)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理） 射頻放大器 射頻開(kāi)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

9、表、介質(zhì)） VCO、頻綜2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)25射頻放大器 低噪聲放大器 主要功能、關(guān)鍵指標(biāo)、分類 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 工作原理 射頻小信號(hào)放大器 主要功能、關(guān)鍵指標(biāo)、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(biāo)、分類 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 工作原理2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)26低噪聲放大器功能、指標(biāo) 功能： 在盡量小的惡化系統(tǒng)噪聲系數(shù)的前提下，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大 主要指標(biāo)： 噪聲系數(shù) 增益 分類 分離器件 與 MMIC MESFET 與 HEMT/pHEMT2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)27低噪聲放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 以ATF-54143為例2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)28

10、低噪聲放大器工作原理 MESFET工作原理： 表面溝道型器件 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(zhǎng)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2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)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(qiáng)弱 源-漏間距LSD、柵長(zhǎng)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2D2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)30射頻小信號(hào)放大器功

11、能、指標(biāo) 功能： 信號(hào)的線性放大 主要指標(biāo)： 增益 P1dB OIP3 噪聲系數(shù) 分類 Si、SiGe、GaAs 與 InGaP HBT 與 MESFET2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)31射頻小信號(hào)放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 以SGA-6486為例2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)32射頻小信號(hào)放大器工作原理SubcollectorField OxideChannelStopBEBCMetal 2Metal1P-Substrate 20 cmC deep Base - SiGe replaces SiliconSubcollector Only Difference2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)3

12、3射頻小信號(hào)放大器工作原理 SGA-6486內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)34射頻大功率放大器功能、指標(biāo) 功能： 大功率信號(hào)的線性放大、輸出 主要指標(biāo)： 增益 P1dB OIP3 Pout 分類 分離、單片集成、混合集成 Si、GaAs、SiC LDMOS、VDMOS、BJT2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)35射頻大功率放大器(LDMOS) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)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)2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)37射頻大功率放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片集成混合集成2022-6-17射

13、頻器件基礎(chǔ)知識(shí)38射頻大功率放大器(LDMOS) 工作原理 LDMOS剖面結(jié)構(gòu) LDMOS，Laterally Double-Diffused Metal Oxide Semiconductors，橫向雙擴(kuò)散晶體管 LDMOS是為射頻功率放大器設(shè)計(jì)的改進(jìn)的n溝道增強(qiáng)型MOSFET。LDMOS FET典型剖面結(jié)構(gòu)圖2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)39LDMOS 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 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(kuò)散技術(shù)（Double Diffusion） LDMOS采用雙擴(kuò)散技術(shù)，在同一光刻窗口相繼進(jìn)行硼（B，形成 P- 區(qū)）、磷（P，形成 N- 區(qū)）

14、兩次擴(kuò)散，由兩次雜質(zhì)擴(kuò)散橫向結(jié)深之差可以精確地決定溝道長(zhǎng)度 L 。由于目前擴(kuò)散工藝很成熟，溝道長(zhǎng)度L可以做得很小（1um以下）并且不受光刻精度的限制 無(wú)BeO隔離層 一般地，襯底直接接地，不需BeO隔離，以降低熱阻，達(dá)到最好的散熱效果，同時(shí)減低了封裝成本。由于BeO為有毒物質(zhì)，不用BeO有利于保護(hù)環(huán)境2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)40LDMOS 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 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(gè)低濃度的 n- 漂移區(qū)（N- LDD），LDD可以通過(guò)注入磷（P）或砷（As）離子得到

15、。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(chǎng)強(qiáng)度（是導(dǎo)致熱載流子的主要原因）大約降低80%，同時(shí)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(chǎng)，從而提高漏源擊穿電壓，減小生成熱載流子的因素。同時(shí)，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(jì)中，優(yōu)化輸入匹配網(wǎng)絡(luò)可以抵消增加的Cgs2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)41射頻開(kāi)關(guān)功能、指標(biāo) 功能： 控制信號(hào)、選擇通道 主要指標(biāo)： 插入損耗 隔離

16、度 分類 GaAs、Si Pin管、MESFET、PHEMT、SOI MOSFET 單刀單擲開(kāi)關(guān)、單刀雙擲開(kāi)關(guān)、單刀四擲開(kāi)關(guān)、雙刀雙擲開(kāi)關(guān)等2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)42射頻開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 以AS123為例：2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)43射頻開(kāi)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2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)44射頻開(kāi)關(guān)工作原理 “” 型：各項(xiàng)指標(biāo)較平均 “T ” 型：隔離度高2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)45射頻開(kāi)關(guān)工作原理 浮地應(yīng)用 優(yōu)點(diǎn)：正壓控制 缺點(diǎn)：引入浮地電容2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)46射頻衰減器功能、指標(biāo) 功能 調(diào)整增益、控制

17、輸出功率 主要指標(biāo) 衰減量 插入損耗 分類 PIN管、MESFET 壓控衰減器、數(shù)控衰減器2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)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(dòng)芯片）2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)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2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)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2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)50射頻衰減器工作原理 數(shù)控衰減器原理C2R6R23R18C3Q3R4Q7R16Q1R15R3R19C1R21/VC

18、2R8Q8Q4Q10R2Q5/VC1R9R12R10VC2R20RF1Q9R1R7VC1Q2/VC3R13Q6VC3R5R17R11RF2/VC4R22R142022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)51功分器、耦合器功能、指標(biāo) 功能 功率的分配、耦合 主要指標(biāo) 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 LTCC2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)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0z0z0z0z0zR1230z0z2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)53功分器內(nèi)部結(jié)構(gòu) GaAs IC功分器 以

19、PD09為例：2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)54耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 帶狀線復(fù)合材料 GaAs IC2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)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port 1port 2in/sumport 32022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)56環(huán)形器、隔離器功能、指標(biāo) 功能 控制信號(hào)單向傳送，在大信號(hào)場(chǎng)合用于改善電路匹配，駐波檢測(cè)等應(yīng)用 主要指標(biāo) 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)2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)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)：2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)58環(huán)形器、隔離器工作

20、原理 環(huán)形器與隔離器的區(qū)別 3端口接匹配負(fù)載的環(huán)形器，稱為隔離器2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)59環(huán)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)2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)60環(huán)形器、隔離器工作原理2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)61混頻器功能、指標(biāo) 功能 利用混頻二極管的非線性特性實(shí)現(xiàn)頻率的搬移 主要指標(biāo) 變頻損耗（無(wú)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(wú)源二極管混頻器 有源吉爾伯特混頻器 MESFET混頻器2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)62無(wú)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、

21、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BALUN也具有寬頻程的優(yōu)點(diǎn)2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)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2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)64無(wú)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2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)65有源MESFET混頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu) MMIC MES

22、FET 混頻器*Q1Q2R2R1R3T1C6C5C4C2C1C7C3L1RFLOIF2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)66混頻器工作原理射頻信號(hào)與本振信號(hào)通過(guò)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(hào)為高功率輸入，用于控制二極管或者場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)通與截止2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)67混頻器工作原理 上圖分別為中頻端口的時(shí)域與頻域圖形。2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)68濾波器（聲表、介質(zhì)） 功能、指標(biāo) 功能 抑制通道中不需要的頻率成分，保證各個(gè)信號(hào)通道的相互獨(dú)立 主要指標(biāo) 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2022-6-17射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)69聲表濾波器內(nèi)部結(jié)