射頻(rf)器件基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)

射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)2023/2/2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2023/2/2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2023/2/2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2023/2/2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)。2023/2/2射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)62023/2/2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2023/2/2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2023/2/2射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)9阻抗匹配2023/2/2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)2023/2/2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(chēng)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。2023/2/2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2023/2/2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，定義為：噪聲的級(jí)聯(lián)公式：2023/2/2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)2023/2/2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)2023/2/2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2023/2/2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2023/2/2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)2023/2/2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2023/2/2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)IMD3IP3P1dB2023/2/2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)常用dBc表示，即交調(diào)產(chǎn)物與主輸出信號(hào)的比2023/2/2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(chēng)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(chēng)為輸入ndB壓縮點(diǎn)2023/2/2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xW，利用dBm表示時(shí)其大小為：例如：1W等于30dBm，等于0dBW。2023/2/2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（聲表、介質(zhì)）VCO、頻綜2023/2/2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(lèi)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(lèi)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(lèi)內(nèi)部結(jié)構(gòu)工作原理2023/2/2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(lèi)分離器件與MMICMESFET與HEMT/pHEMT2023/2/2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2023/2/2射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)28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2023/2/2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?xùn)烹娙菘刂?DEG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PHEMT層結(jié)構(gòu)2DEG層2D2023/2/2射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)30射頻小信號(hào)放大器

——功能、指標(biāo)功能：信號(hào)的線性放大主要指標(biāo)：增益P1dBOIP3噪聲系數(shù)分類(lèi)Si、SiGe、GaAs與InGaPHBT與MESFET2023/2/2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2023/2/2射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)32射頻小信號(hào)放大器

——工作原理2023/2/2射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)33射頻小信號(hào)放大器

——工作原理SGA-6486內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)2023/2/2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P1dBOIP3Pout分類(lèi)分離、單片集成、混合集成Si、GaAs、SiCLDMOS、VDMOS、BJT2023/2/2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)2023/2/2射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)36LDMOS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)2023/2/2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2023/2/2射頻器件基礎(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，LaterallyDouble-DiffusedMetalOxideSemiconductors，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。LDMOSFET典型剖面結(jié)構(gòu)圖2023/2/2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)（DoubleDiffusion）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)）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?。?um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2023/2/2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（LightlyDopedDrain，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。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)FaradayShield（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Cgs2023/2/2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)：插入損耗隔離度分類(lèi)GaAs、SiPin管、MESFET、PHEMT、SOIMOSFET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2023/2/2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：2023/2/2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2023/2/2射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)44射頻開(kāi)關(guān)

——工作原理“?！?/p>

型：各項(xiàng)指標(biāo)較平均“T”

型：隔離度高2023/2/2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2023/2/2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、控制輸出功率主要指標(biāo)衰減量插入損耗分類(lèi)PIN管、MESFET壓控衰減器、數(shù)控衰減器2023/2/2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）2023/2/2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2023/2/2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2023/2/2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2023/2/2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(lèi)功分器：電阻、電容威爾金森磁芯材料GaAsIC耦合器：帶狀線復(fù)合材料GaAsICLTCC2023/2/2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2023/2/2射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)53功分器

——內(nèi)部結(jié)構(gòu)GaAsIC功分器以PD09為例：2023/2/2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GaAsIC2023/2/2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2023/2/2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(lèi)上磁結(jié)構(gòu)上下磁結(jié)構(gòu)側(cè)磁結(jié)構(gòu)2023/2/2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)：2023/2/2射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)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(fù)載的環(huán)形器，稱(chēng)為隔離器2023/2/2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)2023/2/2射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)60環(huán)形器、隔離器

——工作原理2023/2/2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(lèi)無(wú)源二極管混頻器有源吉爾伯特混頻器MESFET混頻器2023/2/2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、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)2023/2/2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2023/2/2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(lèi)似2023/2/2射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)65有源MESFET混頻器

——內(nèi)部結(jié)構(gòu)MMICMESFET混頻器2023/2/2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2023/2/2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。2023/2/2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(lèi)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2023/2/2射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)69聲表濾波器

——內(nèi)部結(jié)構(gòu)2023/2/2射頻器件基礎(chǔ)知識(shí)70聲表濾波器

——工作原理聲表濾波器的工作原理電信號(hào)→聲表面波→電信號(hào)2