第12章 射頻控制電路 無線通信射頻電路技術與設計[文光俊]

1、1第12章 射頻控制電路教學教學重點重點本章重點介紹了由二極管、三極管組成的射頻開關的原理本章重點介紹了由二極管、三極管組成的射頻開關的原理、結構和性能改善方法；介紹了射頻移相器的各種性能指、結構和性能改善方法；介紹了射頻移相器的各種性能指標，分析了移相器的電路結構和性能參數等；介紹了射頻標，分析了移相器的電路結構和性能參數等；介紹了射頻衰減器的結構和設計方法；介紹了二極管限幅器和微帶限衰減器的結構和設計方法；介紹了二極管限幅器和微帶限幅器的原理結構、性能、電路組成等。幅器的原理結構、性能、電路組成等。 教學教學重點重點教學教學重點重點掌握：射頻移相器的各種性能指標，常見移相器的移相原掌握：射

2、頻移相器的各種性能指標，常見移相器的移相原 理、電路結構、性能參數等。理、電路結構、性能參數等。了解：由二極管、三極管組成的射頻開關的原理、結構、了解：由二極管、三極管組成的射頻開關的原理、結構、 性能指標和設計時應該注意的問題。性能指標和設計時應該注意的問題。熟悉：射頻衰減器和射頻限幅器的原理結構和電路組成。熟悉：射頻衰減器和射頻限幅器的原理結構和電路組成。 能力能力要求要求2本章目錄v第一節(jié) 射頻開關v第二節(jié) 射頻移相器v第三節(jié) 射頻衰減器v第四節(jié) 射頻限幅器 3知識結構射射頻頻控控制制電電路路射頻開關射頻開關PIN二極管二極管GaAs FET電路設計電路設計射頻移相器射頻移相器射頻衰減器

3、射頻衰減器射頻限幅器射頻限幅器概述概述移相器的主要技術指標移相器的主要技術指標開關線型移相器開關線型移相器加載線型移相器加載線型移相器反射型移相器反射型移相器高通高通/低通濾波器型移相器低通濾波器型移相器放大器型移相器放大器型移相器數字衰減器數字衰減器模擬衰減器模擬衰減器用于限幅的各種現象用于限幅的各種現象PIN二極管限幅器二極管限幅器微帶結構限幅器微帶結構限幅器412.1 射頻開關12.1.1 PIN二極管 微波開關利用PIN管在直流正、反偏壓下呈現近似導通和關斷的阻抗特性，實現了控制微波信號通道轉換的作用。 a 基本基本PIN結橫截面圖結橫截面圖 b 正偏正偏c 反反偏偏 正偏條件下的電阻

4、記為Rs，與偏置電流IF.成反比，使PIN結二極管在高頻下有很好的隔離度。（b）為正偏時等效電路。當PIN結反偏或者零偏時，本征層I內的電荷被耗盡，表現出高電阻(Rp)，如圖（c）所示。其中CT為PIN結二極管的總電容，包括了結電容Cj和封裝寄生電容Cp。512.1 射頻開關12.1.2 GaAs FETpVgspVV 在典型的開關模式中，當柵源負偏置在數值上大于夾斷電壓 即（ ）時，漏源之間電阻很大，可視為一個高阻抗狀態(tài)；當零偏置柵電壓加載到柵極時，則產生一個低阻抗狀態(tài)。FET的兩個工作區(qū)域可以用圖（a）形象表示。FET中與電阻性和電容性區(qū)域相關的部分如圖（b）所示。 FET開關的線性工作區(qū)

5、域開關的線性工作區(qū)域 FET開關的橫截面圖開關的橫截面圖612.1 射頻開關12.1.3 電路設計1. 結構組成 我們有兩種基本結構可以采用來設計控制RF信號沿著傳輸線傳輸的簡單的單刀單擲（SPST）開關，如圖所示。 串接開關器件及高、低阻等效電路串接開關器件及高、低阻等效電路 并聯開關器件及高、低阻等效電路并聯開關器件及高、低阻等效電路 這兩種結構是對稱的：對于并聯結構，當器件處于高阻抗狀態(tài)時信號就傳遞到負載；對串聯結構，器件低阻狀態(tài)才允許信號傳輸。712.1 射頻開關2. 插入損耗和隔離度 插入損耗定義為理想開關在導通狀態(tài)傳遞給負載的功率與實際開關在導通狀態(tài)真正傳給負載功率之比值，常以分貝

6、數表示。 LV 如果用 表示在理想開關負載兩端的電壓，則插入損耗IL可寫為： 2LL1VILVL1V其中 是實際負載兩端電壓。 對于串聯結構通過分析可以得出： LL1012VVZZ則插入損耗為：2220000111/ 21/44ILZZR ZR ZXZ 812.1 射頻開關對并聯結構負載兩端電壓應為：LL1022/VVY Y此時插入損耗為：222200000111/ 211/244GjBILYYG YG YB YY 001YZ式中， ，G和B是開關器件在高阻狀態(tài)下導納Y的實部和虛部。 隔離度定義為理想開關在導通態(tài)傳給負載的功率與開關處于斷開態(tài)時傳遞到負載實際功率之比，它是開關在斷開態(tài)時開關性能

7、的度量。對串聯結構，當器件在高阻狀態(tài)時處于“斷開”狀態(tài)。此時的隔離度也是由R和X用高阻狀態(tài)下相應值代入給出的；同理，并聯結構是由式用低阻狀態(tài)下的G和B值給出的。912.1 射頻開關3. 性能改善 由串聯開關的插損和隔離度的公式可以看出，開關電路的性能受器件電抗X或電納B的影響，因此可以通過改變器件電抗來改善開關的性能。 高阻抗狀態(tài)的總導納可用接一個與電容并聯的幅度相等的感性電納來降低。這既可安裝一個集總電感，也可加入一段短路（小于1/4波長）短截線來達到。圖畫出了這兩種方法的具體電路。 高阻狀態(tài)下開關器件電容采用高阻狀態(tài)下開關器件電容采用1012.1 射頻開關4. 單刀雙擲開關單刀雙擲開關（S

8、PDT）在任意時刻總有一個支路閉合。SPDT開關有串聯和并聯兩種基本結構，如圖所示。 SPDT的串聯和并聯結構的串聯和并聯結構 在串聯結構中，當開關器件SD1在低阻狀態(tài)和器件SD2在高阻狀態(tài)時，輸入信號到輸出1，否則到輸出2。圖（b）所示的并聯結構基本原理與串聯相同，當器件SD1在高阻狀態(tài)，而器件SD2在低阻狀態(tài)時，信號路徑到輸出1，否則到輸出2。因此，在這兩種結構中不管哪一種，在任何時間，總有一個器件在低阻狀態(tài)而另一個器件在高阻狀態(tài)。1112.1 射頻開關 下圖給出了兩類SPDT結構的性能，開關器件是MA-47899 pin二極管芯片。該設計的中心頻率為3GHz。對于并聯安裝開關，插入損耗隨

9、頻率變化限制帶寬。 采用兩個采用兩個pin二極管的二極管的SPDT開關典型插入損耗和隔離度性能曲線開關典型插入損耗和隔離度性能曲線 1212.1 射頻開關5. 串-并聯開關結構 圖（a）是一種最簡單的串并聯開關結構，當串聯器件在低阻狀態(tài)和并聯器件在高阻狀態(tài)時，該開關是“通”。當串聯器件在高阻狀態(tài)而并聯器件在低阻狀態(tài)時，開關在“斷”狀態(tài)。圖（b）是等效電路。 串串-并聯開關結構等效電路并聯開關結構等效電路從簡單電路分析，插入損耗可寫為：20h0l0h()()122ZZZZILZ Z隔離度為： 20l0h0l()()122ZZZZZ Z隔離度1312.1 射頻開關 我們如果在串-并聯結構中采用多個

10、開關器件，就能夠得到超寬帶開關。這一基本概念包含了利用T型網絡結構，當串聯器件在低阻狀態(tài)（電感），而并聯電路在高阻狀態(tài)（電容）時像一個低通濾波器。當在串聯和并聯開關器件上的偏置電平互換時，網絡特性像高通濾波器，在低于截止頻率上具有高插入損耗。 三個器件三個器件T形結構示例形結構示例1412.1 射頻開關6. 開關速度的考慮（1）開關器件所致速度限制開關速度術語與測量開關速度術語與測量 當pin二極管用作射頻開關時,限制開關速度的主要因素是當二極管偏置從正偏到反偏切換時，從本征區(qū)域移動電荷需要的時間，即存儲電荷的耗盡時間。此外，要提高pin二極管開關速度，在厚度W相同的情況下，可以采用GaAs二

11、極管代替Si pin二極管來實現，因為在砷化鎵中電子遷移率約是硅中4倍，所以GaAs二極管有更快開關速度，以及較低激勵電流的需求。1512.1 射頻開關（2）由偏置網絡所致開關速度限制 若把直流偏置作為一個單獨端口，則一個單刀單擲開關電路可視為三端口網絡，如圖所示。為保證RF信號不通過偏置端口泄漏，在其偏置端口上需接一個低通濾波器。同理，為保證直流偏置（開關脈沖）不干擾電路其他部分，在RF的輸入輸出端上也需要高通濾波器。其最簡單形式，高通濾波器是簡單在輸入、輸出兩端加隔直流電容。但是此濾波器會增加開關脈沖上升時間，因此降低了開關速度。 開關電路三端口網絡表示開關電路三端口網絡表示1612.2

12、射頻移相器12.2.1 概述 微波移相器是相控陣雷達、衛(wèi)星通信、移動通信設備中的核心組件，它的工作頻帶、插入損耗直接影響著這些設備的抗干擾能力和靈敏度，以及系統(tǒng)的重量、體積和成本，因此研究移相器在軍事上和民用衛(wèi)星通信領域具有重要的意義。 各種微波移相器類型各種微波移相器類型1712.2 射頻移相器12.2.2 移相器的主要技術指標1. 工作頻帶 移相器工作頻帶是指移相器的技術指標下降到允許界限值時的頻率范圍。 2. 相移量 移相器是兩端口網絡，相移量是指不同控制狀態(tài)時的輸出信號相對于參考狀態(tài)時輸出信號的相對相位差。 3. 相位誤差 相位誤差指標有時采用最大相移偏差來表示，也就是各頻點的實際相移

13、和理論相移之間的最大偏差值；有時給出的是均方根（RMS）相位誤差，是指各位相位誤差的均方根值。1812.2 射頻移相器 傳輸線上相鄰的波腹點和波谷點的電壓振幅之比為電壓駐波比，用VWSR表示。 5. 電壓駐波比4. 插入損耗和插入波動 插入損耗的定義為傳輸網絡未插入前負載吸收功率與傳輸網絡插入后負載吸收功率之比的分貝數。 6. 開關時間和功率容量 開關元件的通斷轉換，有一個變化的過程，需要一定的時間，這就是開關時間。移相器的開關時間主要取決于驅動器和所采用的開關元件的開關時間。移相器的功率容量主要是指開關元件所能承受的最大微波功率。開關的功率容量取決于開關導通狀態(tài)時允許通過的最大導通電流和截止

14、狀態(tài)時兩端能夠承受的最大電壓。1912.2 射頻移相器12.2.3 開關線型移相器 一位開關線型移相器的基本構成如圖所示。兩只單刀雙擲開關用作信號通路，交替地經過兩個中的一個。 一位開關線型移相器一位開關線型移相器1l2l傳輸路徑長度為 或 ，當信號通過較長的路徑時，它產生附加相位延遲為：2121p2()()fllllvd從公式可以看出這類移相器一個有趣特性，其相移差值 直接與頻率成正比。由于這一特性，開關線型移相器也叫做開關時間延遲網絡。其時間延遲 為： 21dpllv2012.2 射頻移相器 開關線移相器原理簡單，結構上容易實現，但是幾個技術問題需要注意：（1）在開關線型移相器設計中一個共

15、同的問題是開路諧振所引起的問題。 （2）在移相的整個工作過程中，移相器的輸入端和輸出端之間一直處于導通的情況，因此要求在兩種狀態(tài)下輸入端都要良好匹配。此外還要求兩種移相狀態(tài)下插入損耗要小，并且要盡可能相等，否則兩種移相狀態(tài)下輸出信號大小不同，這將引起寄生調幅。 （3）開關的兩條移相線相互距離要足夠遠，避免傳輸線間相互 耦合造成信號衰減和相位誤差。2112.2 射頻移相器1-(1+jb)-jbG=1+(1+jb)2+jb12.2.4 加載線型移相器4522.5說明加載型移相器基本機理的電路說明加載型移相器基本機理的電路 加載線型移相器常用于對 和 移相設計。在這種電路中，移相原理如圖中所示。入射

16、波經歷的移相 決定于歸一化電納b=B/r。由b引起的反射為：電壓傳輸系數 則可以寫成：TIRII212VVVVVjb 112III2241() exptan224TVVVjbjbb所引入的相位差為： 11tan2b2212.2 射頻移相器12.2.5 反射型移相器 反射型移相器的基本原理是在均勻傳輸線的終端接入電抗性負載，利用開關變換負載的阻抗特性，從而改變負載反射系數的相位，使入射波與反射波之間產生相移。 反射型移相器的基本概念反射型移相器的基本概念 產生可轉換系數的子網絡有兩種不同類型：在第一類，端接線電抗變化（例如從電感變成電容），在第二類移相器電路中，外加線長度用單刀單擲（SPST）開

17、關在反射平面上加入。反射型移相器反射型移相器2312.2 射頻移相器利用1/4波長的變換網絡移相器其基本組成如圖所示。 采用采用1/4波長變換網絡反射型移相器波長變換網絡反射型移相器mZ 是為了產生所希望的相移 ，從器件向里（網絡）看的阻抗，所以： t0mZZ ZtbZ0jZ線長度 的選擇是使得阻抗 在低阻狀態(tài)應為 ，其結果為：2tf0t0b020tft/tantanZXZjZZjZZZX所以：21t0ft1802t0ftanZZ XZZ X 90對 位將有： b02.4142ZjZ 從而得出：21t0ft9020ft2.4142tan2.4142ZZ XZ XZ 2412.2 射頻移相器12

18、.2.6 高通/低通濾波器型移相器 高通/低通濾波器型移相器屬于開關網絡移相器，是由開關線移相器發(fā)展而來的，開關網絡由高通和低通濾波器組成。當微波信號通過高通濾波器時，相位超前；通過低通濾波器時，相位滯后，信號在兩濾波器電路之間轉換時，實現相移。 用于開關網絡移相器的濾波器用于開關網絡移相器的濾波器圖（a）所示網絡歸一化ABCD矩陣可寫作：0nn0n2nnnnnnnn/1011101011(2)1AB ZABjXjXCZDjBCDB XjXB XjBB X2512.2 射頻移相器21S以歸一化ABCD矩陣來表達傳輸系數 為： 212nnnnn222(1)2SABCDB Xj BXB X傳輸相位

19、 由下式給出：21nnnnnn2tan2(1)BXB XB XnXnB21S當 和 兩者都改變符號時如圖（b）所示，相位 保持相同幅度而改變符號， 幅度不變。因此在低通和高通網絡之間切換所引起相移 由下式給出：21nnnnnn22tan2(1)BXB XB X2612.2 射頻移相器為了移相器匹配，需要：110S由于考慮的是無損情況：211211SS從而得到：nn2n21XBXnX因此相移 可以僅用 項來表達，為：1n2n22tan1XX由此還可以得到：n1=tan4Xn1sin2B2712.2 射頻移相器12.2.7 放大器型移相器1. 調諧雙柵MESFET移相器 1GgisC 在這種設計中

20、，雙柵MESFET的第二柵（靠近漏極）用作信號輸入柵極，而第一柵（靠源級較近）用作控制柵。像MESFET放大器設計情況一樣，在輸入和輸出二極管上兩端都需要匹配電路。調諧電抗接在第一柵 和地之間?？刂戚敵鲂盘柡洼斎胄盘栔g相移的控制電壓加在柵極1上，由于改變器件參數（如柵極1至源極電容 ）和外接調諧阻抗（它可能是串聯電感）之間相互作用就獲得相位控制。 調諧柵雙柵調諧柵雙柵MESFET移相器方框圖移相器方框圖 2812.2 射頻移相器2. 采用可切換SPDT放大器有源移相器 這類移相器結構如下所示，輸入信號在兩個相同放大器之間切換。在其中一個放大器輸出端附加一線段長度產生所需的相位 。這兩路信號在

21、功率合成電路中相加。Wilkinson功率合成器引入3dB損耗，且從放大器有用增益看，這3dB損耗認為是不嚴重的，這種設計的優(yōu)點是電路移相部分與其它設計無關。 利用利用SPDT放大器的移相器方框圖放大器的移相器方框圖 2912.2 射頻移相器3. 分段柵極MESFET移相器 為了設計數字移相器，需要增益能以重現的數字式變化。雙柵MESFET的總控制柵極寬度被分成幾段，信號柵極段為共同的，而控制柵被分割成幾段，一個柵極相應于每一段柵極區(qū)。第二柵極段每一個引出與外部相接，使得MESFET的各段可選擇“通”或“斷”切換。 分段雙柵器件電路表示法分段雙柵器件電路表示法 3012.3 射頻衰減器12.3

22、.1 數字衰減器 1. 設計方法 數字衰減器的零狀態(tài)衰減值應當設計得盡可能地低。對于大多數應用，附加的衰減直接影響鏈路預算。選擇具有最小插入損耗的器件非常重要。另一個重要的要求是功率處理能力，通常指定為輸入三階交調截點（IP3）。對于無線應用，較小的尺寸，容易實現的控制電路應重點考慮。 數字衰減器在電子系統(tǒng)和電子設備中有廣泛的應用,例如在衛(wèi)星通信中,集束網絡(BFN)往往需要利用衰減器進行信號幅度的控制。相應的控制器件有PIN管、GaAs MESFET等。相比可變衰減器,數字衰減器在寬頻帶內有更高的衰減精度、更優(yōu)良的電壓駐波比和更大的衰減動態(tài)范圍,但有相對較大的參考態(tài)插入損耗。而相比PIN管,

23、GaAs MESFET有極低的功耗、極快的速度,因而得到迅猛推廣應用,需求量劇增。 3112.3 射頻衰減器2. 分段雙柵FET技術 下圖給出了分段雙柵FET電路的示意圖。在射頻微波頻段，我們可以使用雙柵GaAs FET器件來獲得等相位但不同增益的通路。在這種結構中，雙柵FET的柵極1和漏極端口分別用做輸入端口和輸出端口，柵極2用做控制終端。柵極1被偏置在要求的增益量狀態(tài)，柵極2被偏置在飽和狀態(tài)（開狀態(tài)）。當柵極2偏置逐漸增加到夾斷狀態(tài)時，雙柵FET的增益降低，而傳輸相位不變。 分節(jié)雙柵分節(jié)雙柵FET衰減器的示意圖衰減器的示意圖3212.3 射頻衰減器3. 開關式衰減器 圖（a）為開關衰減器的

24、結構。在該衰減器中，兩個SPDT開關用于在直通線和參考線之間變換信道。如果所需衰減值超過4dB，則可以使用T或 型電阻網絡結構，其中的電阻可以是GaAs臺面電阻器或芯片制造工藝中可獲得的專用鎳鉻合金電阻器。Gupta使用的寬帶SPDT開關示意圖如圖（b）所示。其可用的上限頻率由SPDT開關本身的隔離度決定。由于開關不含有任何電容性元件，因此對性能沒有下限頻率限制。 開關衰減器示意圖開關衰減器示意圖SPDT開關的示意圖開關的示意圖3312.3 射頻衰減器4. 開關式比例型FET 下圖給出了開關式比例型FET結構的示意圖。開關式比例型FET技術在連接輸入和輸出端口的兩條通路上使用了不同尺寸的FET

25、，不使用外電阻性網絡來獲得期望的衰減值，而是利用不同對開關式FET的開狀態(tài)電阻值之差達到選擇的衰減量。因此，該技術適用于達到2 dB的較小衰減比特數。對于開關式比例型FET結構，需要加入額外的短傳輸線節(jié)，用于均衡衰減參考通路長度。開關比例型開關比例型FET結構示意圖結構示意圖3412.3 射頻衰減器5. 開關式T型橋衰減器 1R2R 開關式T型橋衰減器由一個經典的T型橋衰減器和一個并聯與串聯FET組成，一個開關式FET并聯在橋電阻 的兩端，另一個開關式FET與分流電阻 串聯。兩個FET的開或關實現了零狀態(tài)和衰減狀態(tài)之間的切換，其值由T型橋衰減器決定。T型橋衰減器自身提供了良好的輸入/輸出匹配。

26、 開關式開關式T型橋衰減器的結構示意圖型橋衰減器的結構示意圖3512.3 射頻衰減器6. 開關式T形和 形衰減器 開關式T型和 型衰減器與上述結構是相似的，只是衰減器拓撲結構表現為T型或 型形式，單個電阻性元件能夠開關進入或推出電路。故這一技術也稱之為開關式電阻器法，這種衰減器的結構示意圖如圖12.44所示。Bedard和Maoz使用 型結構驗證了工作頻率達到10GHz的衰減器設計。盡管它與T型橋衰減器結構相似，但是，該技術使用了非常小的FET，與開關式衰減器相比，具有更低的插入損耗。 開關式開關式T形或形或 形衰減器的結構示意圖形衰減器的結構示意圖3612.3 射頻衰減器7. 線性度考慮 隨

27、著對微波數字和模擬衰減器的需求日益增大，數字和模擬衰減器主要用于信號調節(jié)與控制以滿足無線通信行業(yè)的初期要求。這種需求促使了許多GaAs供應商已為不同的通信系統(tǒng)及不同的頻段應用提供了高性能元件并大量應用在4GHz以下頻段。對于諸如信號電平控制的應用，參考狀態(tài)插入損耗最小化是一個關鍵要求。當基于系統(tǒng)考慮時，我們還要考慮線性度，因為衰減器是RF系統(tǒng)鏈路中的一部分，設計者必須確保元件具有足夠的線性度余量。衰減器線性度可采用類似于放大器線性度定義的方式來定義，即衰減器插入損耗增大1dB時的工作點位1dB壓縮點，這個參量通常定義在輸入端，而不像放大器是定義在輸出端。此外，一些商家也提供了基于兩載波測量的三

28、階交調截點數據等。3712.3 射頻衰減器12.3.2 模擬衰減器 1. PIN二極管衰減器 可變衰減器的一個重要特性是它的輸入阻抗保持不變，使得衰減器在整個工作范圍內保持匹配。實現的方法之一是圖中所示的 型網絡。 電阻型電阻型 網絡作為網絡作為pin衰減器衰減器 AA2R0Z為了匹配，網絡阻抗對 右側并聯 后應該等于 ，那就是： 02A111ZRZ12V V衰減比 可寫為：1A22020()VZVR ZRZ消去 得：AZ201220RZVKVRZ從而可得：1011()2RZKK02(1)1ZKRK3812.3 射頻衰減器2. MESFET衰減器 onRoffR1C2C1R2R MESFET可

29、以直接成T型或 型結構，如圖（a）和（b）所示。對于MESFET的衰減器，所用基本器件機理是用柵極電壓控制來改變零偏的FET的低場電阻，此時MESFET可以用R和C并聯組合模型來表示，如圖（c）和（d）所示，電阻 和 值是柵極電壓的函數。該電阻R從0偏值（ ）變到當柵極電壓達到夾斷電壓時值（ ），而電容 和 值幾乎恒定。采用采用MESFET的的T型型（a）和（）和（c）和和 型型（b）和（）和（d）衰減器網絡及等效電衰減器網絡及等效電路路3912.3 射頻衰減器12.4.1 用于限幅的各種現象 1. 整流 微波半導體二極管所顯示的三種現象可作限幅器。 IV 這是在較低頻率最常用的限幅技術，如圖

30、所示，基本電路（a）采用了兩只整流二極管，（b）為 關系，（c）正弦波鉗位（當輸入超過限幅門限時獲得）。 較低頻率時采用的限幅技術較低頻率時采用的限幅技術4012.3 射頻衰減器2. 電容隨電壓變 CV 變容二極管的結電容大小由電壓決定，且在微波頻率上的快速響應足以表現其特性。如圖（a）所示，如果兩只二極管極性相反的并聯安裝，得出 特性曲線表示在圖（b）中。當二極管用在并聯諧振電路時得到的反射系數，其變化為輸入功率的函數。同時在高功率時也出現整流現象并且產生附加限幅，這類限幅器的耐功率能力較低。變容二極管特性反向安裝及特性曲線變容二極管特性反向安裝及特性曲線4112.3 射頻衰減器3. RF電導調制 利用PIN限幅二極管的射頻電