接收、發(fā)送系統(tǒng)通常由濾波器、低噪聲放大器、功率放大器

接收、發(fā)送系統(tǒng)通常由濾波器、低噪聲放大器、功率放大器、振蕩器、倍頻器、混頻器以及開(kāi)關(guān)電路、功率合成與分配電路等基本的射頻與微波電路模塊組成。組成這些模塊的更基本單元就是各類(lèi)有源器件與無(wú)源器件。初次進(jìn)行射頻與微波電路設(shè)計(jì)，感到最難入手的就是有源器件的選擇。選擇有源器件要考慮的因素很多，首先要滿(mǎn)足收發(fā)機(jī)對(duì)諸如振蕩器、放大器、混頻器等基本模塊的指標(biāo)要求，還要考慮可用技術(shù)與實(shí)現(xiàn)成本。如何選擇有源器件沒(méi)有固定的程式。經(jīng)驗(yàn)，對(duì)有源器件資料的掌握，對(duì)整個(gè)收、發(fā)系統(tǒng)指標(biāo)的理解是選擇有源器件的重要依據(jù)。射頻與微波電路常用的有源器件可分為兩類(lèi)，即二極管類(lèi)型和三極管類(lèi)型。微波二極管： 作混頻與檢波用的肖特基表面勢(shì)壘二極管（簡(jiǎn)稱(chēng)肖特基二極管）， 作振蕩器用的甘氏二有管（Gunndiode） 作控制電路用的PIN二極管。微波晶體管： 雙極晶體管（BipolarTransistors） 場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field-effectTransistors）有源器件的選擇對(duì)射頻與微波電路設(shè)計(jì)極其重要1肖特基表面勢(shì)壘及其單向?qū)щ娞匦援?dāng)半導(dǎo)體材料與某些金屬接觸時(shí)，大量電子從半導(dǎo)體側(cè)擴(kuò)散進(jìn)入金屬，因而在半導(dǎo)體一側(cè)留下不可移動(dòng)的正離子，即帶正電的“空間電荷”，形成了“空間電荷層”，也即“耗盡層”。這些空間電荷與進(jìn)入金屬的電子之間產(chǎn)生自建電場(chǎng)，造成勢(shì)壘，阻止電子向金屬一側(cè)的進(jìn)一步擴(kuò)散。上述勢(shì)壘稱(chēng)為“肖特基勢(shì)壘”，這種由金屬與半導(dǎo)體接觸在一起形成勢(shì)壘的結(jié)構(gòu)也叫“金-半結(jié)”。當(dāng)“金-半結(jié)”加正壓，即金屬一側(cè)接直流電源正極，半導(dǎo)體一側(cè)接負(fù)極時(shí)，金-半結(jié)中勢(shì)壘降低，耗盡層變薄，半導(dǎo)體中的電子源源不斷地?cái)U(kuò)散入金屬，因而構(gòu)成大的正向電流IF。反之，當(dāng)改變外加電壓極性時(shí)，金-半結(jié)勢(shì)壘增高。耗盡層變厚，半導(dǎo)體電子不能向金屬一側(cè)擴(kuò)散，只有金屬一側(cè)少量電子反向進(jìn)入半導(dǎo)體，構(gòu)成小的反向電流。簡(jiǎn)而言之，“金-半結(jié)”具有單向?qū)щ娞匦?。肖特基?shì)壘及其單向?qū)щ娦?面接觸型肖特基勢(shì)壘二極管及其等效電路1、利用半導(dǎo)體表面工藝制成的面接觸型肖特基勢(shì)壘二極管的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖。2、等效電路肖特基勢(shì)壘二極管的等效電路含有隨偏壓變化的勢(shì)壘電阻Rj，由半導(dǎo)體材料體電阻與接觸電阻組合的串聯(lián)電阻Rseries，勢(shì)壘電容，即結(jié)電容Cj，引線(xiàn)電感Ls和封裝電容Cp，如圖2-3。圖2-2肖特基勢(shì)壘二極管Cp

圖2-3肖特基勢(shì)壘二極管等效電路

3肖特基勢(shì)壘二極管伏-安特性及其應(yīng)用肖特基勢(shì)壘二極管的伏-安特性，可表示為

Isat為反向飽和電流，數(shù)值極小。在常溫下 ，在正偏電壓接近勢(shì)壘電壓時(shí)，電流迅速變大，非線(xiàn)性強(qiáng)烈。在反向偏壓時(shí)電流極小，大致保持Isat值。當(dāng)V=VB時(shí)，反向電流迅速增長(zhǎng)，VB為反向擊穿電壓。肖特基二極管本質(zhì)上是一個(gè)整流元件，非線(xiàn)性強(qiáng)，主要應(yīng)用于混頻器及檢波電路。廣泛應(yīng)用的雙平衡混頻器（DMB）就應(yīng)用配對(duì)的兩個(gè)肖特基二極管。多數(shù)DMB用于微波頻譜的低端。肖特基勢(shì)壘二極管的伏-安特性4甘氏（Gunn）二極管甘氏二極管是轉(zhuǎn)移電子器件，具有負(fù)阻特性，它可振蕩于幾種模式。當(dāng)工作于非諧振渡越時(shí)間模式（unresonanttransit-timemode）在1-18GHz頻率范圍內(nèi)，輸出功率最高可達(dá)2W，多數(shù)為幾百毫瓦。當(dāng)工作于諧振限制空間電荷模式（resonantlimitedspace-charge(LSA)mode）工作頻率可到100GHz，脈沖工作、占孔系數(shù)10%時(shí)，脈沖功率輸出到幾百瓦。甘氏二極管5甘氏二極管結(jié)構(gòu)及等效電路R—負(fù)阻；Rs—體及接觸電阻；Cj—等效電容；Ls—封裝電感；Cp—封裝電容有源工作區(qū)（Activeregion）通常為6-8

m長(zhǎng)，N+區(qū)域厚度1-2

m，是歐姆型材料，電阻率很低（0.001

-cm），作為有源區(qū)與金屬電極過(guò)渡層，除了改進(jìn)金屬電極與有源層的接觸外，N+區(qū)域也防止金屬電極中金屬離子遷移到有源工作區(qū)。

甘氏二極管6甘氏二極管產(chǎn)生高頻振蕩的工作原理在N型砷化鎵半導(dǎo)體中導(dǎo)帶波矢量圖當(dāng)二極管加上電壓，并超過(guò)某閾值時(shí)，N型砷化鎵中的載流子（電子）由二極管中直流電場(chǎng)吸收能量，從主能帶導(dǎo)帶（低有效質(zhì)量高遷移率能帶）轉(zhuǎn)移到高能電平（高有效質(zhì)量，低遷移率）的次能帶導(dǎo)帶。

7甘氏二極管速度場(chǎng)在室溫并未加外電壓條件下，熱激發(fā)能量大約僅為KT0

0.025電子伏特，這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)小于主一次能帶之間的能量間隔。因而不足以使電子從主能帶躍遷到次能帶導(dǎo)帶，電子幾乎全部處于低能態(tài)的主能帶中；當(dāng)外加電壓時(shí)，N半導(dǎo)體中形成外加電場(chǎng)，電子從電場(chǎng)中獲得能量，電子漂移速度隨電場(chǎng)增大而加快。電子速度為電子遷移率與外加電場(chǎng)的乘積，其關(guān)系為 ve=

E 在主能帶-低能帶電子隨著外加電場(chǎng)的增加，從電場(chǎng)獲得更多的能量，速度變快。當(dāng)能量超過(guò)0.36電子伏特時(shí)，主能帶里電子就會(huì)躍遷到次能帶中。電場(chǎng)繼續(xù)增加，越來(lái)越多的電子從主能帶躍遷到次能帶，其遷移率下降，因而電子漂移速度下降。當(dāng)躍遷到次能帶的電子數(shù)大于主能帶中電子數(shù)時(shí)，電子的平均漂移速度隨電場(chǎng)增加反而減小，這一過(guò)程如圖所示，圖中曲線(xiàn)的峰值對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)即電場(chǎng)的閾值。設(shè)Eb表示電子全部遷移到高能帶中的電場(chǎng)值，當(dāng)E>Eb時(shí)，電子速度近于飽和值107厘米/秒。故圖中曲線(xiàn)自峰下降后，當(dāng)E較大時(shí)又略有上升，這是因?yàn)镋>Eb時(shí)電子全部在高能帶被外電場(chǎng)加速所至。甘氏二極管速度場(chǎng)8甘氏二極管具有負(fù)阻效應(yīng)設(shè)：nL(E)—低能帶電子數(shù)，

L(E)—低能帶電子遷移率，nV(E)—高能帶電子數(shù)，

V(E)—高能帶低電子遷移率。在兩能帶總電子數(shù) n=nL(E)+nV(E)當(dāng)外加電場(chǎng)E<Eth（閾值）時(shí)，n=nL，當(dāng)Eth<E<Eb（Eb為電子全部路遷到高能帶電場(chǎng)）時(shí)，電子平均遷移速度 （2.1）平均電子遷移率 （2.2）顯然，，當(dāng)E增加，增加，減少。

D為微分遷移率，在Eth<E<Eb時(shí)，為負(fù)值。電流密度j=

E，

=ne

D，E=V/L，故J=ne

DV/L，V為外加電壓，L為n型砷化鎵長(zhǎng)度，這說(shuō)明砷化鎵在一定電場(chǎng)范圍內(nèi)（一般E在3

103~2

104伏/厘米），具有負(fù)電子遷移率，也就是負(fù)阻特性。9疇的形成與甘氏效應(yīng)在圖2-8中表示的砷化鎵半導(dǎo)體二極管樣品中，如果存在某種摻雜不均勻性，例如x=x0處有一小的摻雜區(qū)，那么加上外電壓以后該處的電場(chǎng)將高于別處。隨外加電壓的增高，x0處電場(chǎng)首先超過(guò)Eth，結(jié)果x0左邊有電子積累、右邊電子速度快產(chǎn)生電子“抽空”現(xiàn)象，右邊開(kāi)始形成正離子區(qū)，這種正負(fù)電荷積累層類(lèi)似于一偶極子，稱(chēng)為偶極疇。圖2-8偶極疇形成和電場(chǎng)的分布10疇的形成與甘氏效應(yīng)由于疇內(nèi)正負(fù)電荷的附加電場(chǎng)與外加電場(chǎng)方向一致，疇內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)。當(dāng)外加電壓不變時(shí)，導(dǎo)致疇外電場(chǎng)的降低。所以偶極疇又稱(chēng)高場(chǎng)疇。當(dāng)疇內(nèi)電場(chǎng)處于Eth<E<Eb范圍內(nèi)時(shí)，疇內(nèi)電子漂移速度隨電場(chǎng)增強(qiáng)而降低，這就使疇內(nèi)正負(fù)電荷進(jìn)一步積累而長(zhǎng)大，疇的長(zhǎng)大反過(guò)來(lái)又使疇內(nèi)電場(chǎng)更高，疇外電場(chǎng)更低。此過(guò)程非常迅速。然而，疇長(zhǎng)大過(guò)程不會(huì)無(wú)限止地進(jìn)行下去，因?yàn)楫犕怆妶?chǎng)下降，電子漂移速度也下降，下降到某一程度以后，疇內(nèi)外電子速度相等，形成穩(wěn)定疇。在疇產(chǎn)生、長(zhǎng)大及穩(wěn)定的同時(shí)，疇也不斷向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)。疇到達(dá)陽(yáng)極，即被吸收而消失，在外電路形成電流突變，電場(chǎng)恢復(fù)初始狀態(tài)，新疇又立即在x0處重新形成，這樣周而復(fù)始，形成疇的自動(dòng)振蕩。圖2-8偶極疇形成和電場(chǎng)的分布11對(duì)應(yīng)于渡越時(shí)間模的外電路電流波形在疇產(chǎn)生、長(zhǎng)大及穩(wěn)定的同時(shí)，疇也不斷向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)。疇到達(dá)陽(yáng)極，即被吸收而消失，在外電路形成電流突變，電場(chǎng)恢復(fù)初始狀態(tài)，新疇又立即在x0處重新形成，這樣周而復(fù)始，形成疇的自動(dòng)振蕩。上述過(guò)程對(duì)應(yīng)的外電路振蕩電流波形。在轉(zhuǎn)移電子器件中，電流振蕩的這種固有模式就是眾所周知的甘氏振蕩效應(yīng)。振蕩頻率由加在二極管甘氏疇渡越時(shí)間來(lái)確定。渡越時(shí)間 （2.3）式中vd疇的渡越速度，L為二極管砷化鎵半導(dǎo)體長(zhǎng)度，vd一般約107厘米/秒。甘氏二極管與外加電壓及可調(diào)諧振腔電路配合可獲得的頻率變化達(dá)倍頻程。圖2-9對(duì)應(yīng)于渡越時(shí)間模的外電路電流波形12甘氏二極管工作模式甘氏二極管可工作于多種模式，部分取決于器件本身特性，部分取決于外電路特性。下面主要介紹渡越時(shí)間模式與限制空間電荷模式。①渡越時(shí)間模式（transittime(Gunn)mode）渡越時(shí)間模式是非諧振模式，與器件長(zhǎng)度及外加直流偏壓有關(guān)。直流偏壓要大于閾值Vth。N0L值須是1012/cm2到1014/cm2。N0為摻雜濃度，L為有源區(qū)長(zhǎng)度。工作頻率由有源區(qū)有效長(zhǎng)度Leff決定，或更確切地理由渡越時(shí)間確定。

式中 ——工作頻率Hz ——疇運(yùn)動(dòng)速度cm/s Leff——有源區(qū)有效長(zhǎng)度工作于渡越時(shí)間模式時(shí)，效率不超過(guò)10%，通常為4%~6%，輸出功率一般小于1000mw。13甘氏二極管工作模式②限制空間電荷模式(Limitedspace-charge(LSA)mode)：工作于限制空間電荷模式，除與器件本身特性有關(guān)外還與外電路（諧振槽路）特性有關(guān)。槽路中電磁振蕩由甘氏管的脈沖電流激勵(lì)的。N0L必須是1012/cm2或更高，N0/F必須在2×105到2×104s/cm3之間。a給出工作于LSA模的甘氏振蕩器簡(jiǎn)化電路圖；b為其波形，c為輸出電壓。起振條件是甘氏管負(fù)電導(dǎo)必須大于槽路電導(dǎo)。（a）（b）（c）圖2-10負(fù)阻模的振蕩電路與波形14甘氏振蕩器實(shí)際電路舉例下圖給出同軸腔作振蕩回路的甘氏振蕩器電路。調(diào)諧盤(pán)或調(diào)諧螺釘用來(lái)調(diào)整槽路諧振頻率。高頻能量通過(guò)耦合環(huán)耦合經(jīng)同軸線(xiàn)輸出。

圖2-11甘氏二極管振蕩器15PIN二極管—結(jié)構(gòu)PIN二極管（簡(jiǎn)稱(chēng)PIN管）是微波控制電路中最重要的一種微波控制器件。PIN管與一般的PN二極管（見(jiàn)圖a）不同，在P跟N型半導(dǎo)體材料之間多了一個(gè)絕緣區(qū)，叫做本征區(qū)。嚴(yán)格地說(shuō)本征區(qū)并非完全“絕緣”，還有很少的載流子以支持很小的電流，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖b。圖c給出幾種低功率電平下的封裝形式。圖2-12A：PN二極管；B：PIN二極管；C：PIN二極管封裝16PIN二極管—工作特點(diǎn)①不加偏壓時(shí)，PIN管電阻是很大的。PIN管P+、N+都是重?fù)诫s的，見(jiàn)圖a，雜質(zhì)分布見(jiàn)圖b。本征層的電阻很高。空間電荷的分布

(x)及電場(chǎng)的分布E(x)見(jiàn)圖c、d。PIN管中P+、N+層的導(dǎo)電率很高，空間電荷層即耗盡層主要建立在I層中，在I層中除了耗盡層之外的其余厚度為非耗盡層。與非耗盡層相比，耗盡層具有更高的電阻率，因此在不加偏壓時(shí)PIN管的電阻是很大的。圖2-13PIN管中雜質(zhì)空間電荷及電場(chǎng)分布17PIN二極管—工作特點(diǎn)②直流偏壓下的PIN管特性在負(fù)偏壓之下（P+層接負(fù)、N+層接正），PIN管中的電場(chǎng)增強(qiáng)，勢(shì)壘電壓加高、耗盡層變厚，如圖（e、f）。因而I層電阻進(jìn)一步增大，反向電流極小。隨著負(fù)偏壓的增大，耗盡層最后將擴(kuò)展到整個(gè)I層，以后便不再顯著變厚。負(fù)偏壓達(dá)到某值時(shí)出現(xiàn)雪崩擊穿，反向電流急劇增大。此時(shí)的負(fù)偏壓值稱(chēng)為反向擊穿電壓VB。在正偏壓之下，PIN管勢(shì)壘降低以至消失。P+、N+層中的載流子源源不斷地向I層擴(kuò)散，形成正向通流。空穴、電子從注入I層到復(fù)合消失，平均有一短暫時(shí)間

，稱(chēng)為載流子平均壽命。而在復(fù)合之前則表現(xiàn)為載流子的“動(dòng)態(tài)儲(chǔ)存”。與其他PN結(jié)二極管相比，PIN管中的載流子壽命

比較長(zhǎng)（如20~100ns），因此，在管子正向?qū)ㄆ陂gI層中擁有大量的載流子，I層處于低阻態(tài)。正偏壓愈大，正向電流愈大，I層乃至整個(gè)PIN管電阻愈小。圖2-13PIN管中雜質(zhì)空間電荷及電場(chǎng)分布18PIN二極管—工作特點(diǎn)③直流偏壓和微波信號(hào)等同作用下的PIN管PIN管在正、負(fù)偏壓下的電阻變化與一般半導(dǎo)體PN管沒(méi)有多大區(qū)別，也即對(duì)直流、低頻有單向?qū)щ娦浴ｏ@然，在正偏壓下，PIN管對(duì)微波小信號(hào)始終導(dǎo)通。但是對(duì)于微波大信號(hào)，在信號(hào)負(fù)半周內(nèi)由于正向偏置電流為I層儲(chǔ)存了大量的載流子，而微波頻率又極高，在極其短的信號(hào)負(fù)半周內(nèi)，I層中的載流子能夠立即構(gòu)成幅度足夠的反向電流，所以管子仍然“導(dǎo)通”，如圖所示。

圖2-14正偏壓及微波信號(hào)共同作用下的PIN管19PIN二極管—工作特點(diǎn)③直流偏壓和微波信號(hào)等同作用下的PIN管設(shè)I層中的載流子平均壽命為

，正向偏流為IF，則I層中載流子的儲(chǔ)存量為如

=1

s，IF=10mA，微波信號(hào)頻率f=2GHz，信號(hào)周期為T(mén)，微波電流振幅Im=1A，則在信號(hào)負(fù)半周之內(nèi)，從管子的I層中吸出的載流子電量為 （2.4）負(fù)半周內(nèi)從I層中吸出的載流子電量?jī)H占I層中儲(chǔ)存的電荷總量中的很小一部分，I層中仍然有大量的載流子，仍呈現(xiàn)低阻態(tài)。因此很小的正向偏流IF完全可以保證在微波大信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)管子是導(dǎo)通的。負(fù)偏壓下I層中電荷儲(chǔ)存近于零，在微波信號(hào)正半周期內(nèi)注入I層的載流子總量十分有限，遠(yuǎn)不足以改變I層的高阻態(tài)，故管子處于截止?fàn)顟B(tài)。PIN管對(duì)微波信號(hào)的通斷僅取決于幅度很小的偏壓的極性，與微波信號(hào)的幅度無(wú)關(guān)，這是PIN管的一個(gè)重要特點(diǎn)。這就是PIN用作微波電路開(kāi)關(guān)的依據(jù)，其優(yōu)點(diǎn)是改變PIN管偏置電壓的極性即可控制微波電路的開(kāi)關(guān)功能。圖2-15I層中載流子的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)存20PIN管的等效電路PIN管的等效電路如圖（a）。其中管芯參量為I層電阻Rj，I層電容Cj，串聯(lián)電阻RS；管子封裝參量為引線(xiàn)電感LS，管殼電容CP。在零偏、負(fù)偏壓之下，I層電阻Rj極大，因此等效電路（圖(a)）可簡(jiǎn)化為圖（b）。在負(fù)偏壓變化的較大范圍內(nèi)管子中勢(shì)壘區(qū)厚度基本上等于I層厚度，因此結(jié)電容Cj基本不變，在微波低端，頻率不十分高，等效電路又可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圖（c、d）。正偏壓之下，I層電阻Rj很小，并聯(lián)的電容Cj可忽略。因此等效電路可簡(jiǎn)化為圖（e），其中正向電阻Rf=Rj+Rs。同樣，在微波低端，等效電路可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圖（f、g）。（b、c、d）零偏壓、負(fù)偏壓之下（e、f、g）正偏壓之下圖2-16PIN管的等效電路21PIN管作微波開(kāi)關(guān)電路應(yīng)用舉例圖2-17是用于移動(dòng)通信的智能天線(xiàn)，工作于2.4GHz，它是制作在印刷電路板上的相互垂直的兩個(gè)半波偶極子天線(xiàn)（A和B）。偶極子天線(xiàn)輻射場(chǎng)與天線(xiàn)軸垂直方向輻射最強(qiáng)，沿軸方向輻射最小。天線(xiàn)的“智能”體現(xiàn)在根據(jù)需要切換天線(xiàn)工作摸式（天線(xiàn)A工作或天線(xiàn)B工作），天線(xiàn)的切換就是用PIN管實(shí)現(xiàn)的。圖2-17用PIN管控制的智能天線(xiàn)AB22微波晶體管微波晶體管主要有雙極晶體管（BipolarTransistors）和場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field-effectTransistors），雙極晶體管中，電子和空穴都參與導(dǎo)電因此在雙極晶體管中，P型、N型材料都不能少，硅NPN雙極晶體管最高頻率可到4GHz。場(chǎng)效應(yīng)器件，利用多數(shù)載流子工作，可以工作到更高的頻率，是微波晶體管的主流。23雙極晶體管現(xiàn)代雙極晶體管都用NPN結(jié)構(gòu)形式，有平面結(jié)構(gòu)與外延結(jié)構(gòu)之分，見(jiàn)圖2-18a、b。異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）最高工作頻率已達(dá)到67GHz，其基極線(xiàn)寬為1.2

m；器件很小時(shí)，電流增益達(dá)到10-20，當(dāng)基極線(xiàn)寬較大時(shí)，電流增益可到55。當(dāng)集電極電流很小、基極線(xiàn)寬0.15

m、發(fā)射極面積40

m×100

m時(shí)，電流增益可超過(guò)3800。集電極電流較大時(shí)，電流增益大于1500也已實(shí)現(xiàn)，而非HBT器件電流增益不超過(guò)100。（a）（b）圖2-1824Johnsonrelationship微波雙極晶體管服從一組方程，叫做Johnsonrelationship，它們是：①電壓頻率極限（Voltage-frequencylimit）

式中 Vmax——最大容許電壓（EmaxLmin） Vs——材料飽和速度 Eamx——最大電場(chǎng)