《微波固態(tài)電路》全冊(cè)配套課件

1、微波固態(tài)電路全冊(cè)微波固態(tài)電路全冊(cè)配套課件配套課件23電路：電路：從路的角度解決電磁問題。從路的角度解決電磁問題。微波固態(tài)電路微波固態(tài)電路 固態(tài)：固態(tài)：電路采用的元器件性質(zhì)，明確為半導(dǎo)體器件。電路采用的元器件性質(zhì)，明確為半導(dǎo)體器件。（電真空器件：（電真空器件：利用電子在真空中運(yùn)動(dòng)及與外圍電路相互作利用電子在真空中運(yùn)動(dòng)及與外圍電路相互作用產(chǎn)生振蕩、放大、混頻等各種功能，如速調(diào)管、行波管、磁用產(chǎn)生振蕩、放大、混頻等各種功能，如速調(diào)管、行波管、磁控管、返波管、回旋管、虛陰極振蕩器等）控管、返波管、回旋管、虛陰極振蕩器等） 微波：微波：特指電路的工作頻率范圍。特指電路的工作頻率范圍。4低噪放(LNA)L

2、ow noise amplifier混頻器Mixer振蕩器Oscillator檢波器Detector倍頻器Multiplier 開關(guān)Switch5性質(zhì)是：專業(yè)課性質(zhì)是：專業(yè)課先修課程：先修課程：射頻電子線路射頻電子線路或或模擬電路基礎(chǔ)模擬電路基礎(chǔ)，電磁場(chǎng)與波電磁場(chǎng)與波，微波技術(shù)與天線微波技術(shù)與天線或或微波技術(shù)基礎(chǔ)微波技術(shù)基礎(chǔ) 本課程講解以本課程講解以微帶電路為主微帶電路為主的微波固態(tài)電路的微波固態(tài)電路的基本工作原理，基本方法和工程設(shè)計(jì)。的基本工作原理，基本方法和工程設(shè)計(jì)。6講授內(nèi)容講授內(nèi)容： （32學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）第一第一章：引言（章：引言（1學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第二第二章：微波集成電路基礎(chǔ)（章：微波集

3、成電路基礎(chǔ)（5學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第三章：微波晶體管放大器（第三章：微波晶體管放大器（10學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第四章：微波混頻器和檢波器（第四章：微波混頻器和檢波器（5學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第五章：微波倍頻器（第五章：微波倍頻器（4學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第六章：微波振蕩器（第六章：微波振蕩器（2學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第七章：微波控制電路（第七章：微波控制電路（5學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）有調(diào)整，僅供參考有調(diào)整，僅供參考7第一章第一章引引 言言8主要內(nèi)容主要內(nèi)容l微波/毫米波頻段劃分l微波電路的發(fā)展l微波集成電路的應(yīng)用91、微波頻段劃分、微波頻段劃分微波：微波： 泛指電磁譜中波長從泛指電磁譜中波長從1m到到1mm，或者是，或者是頻率范圍在頻率范

4、圍在300MHz到到300GHz的一個(gè)特殊頻段。的一個(gè)特殊頻段。細(xì)分為：細(xì)分為： VHF，P，L，S，C，X，Ku，K，Ka，U， V， E， W，0.10.3 0.31 12 24 48 812 1218 1826 2640 4060 5075 6090 75110中波中波短波短波超短波超短波分米波分米波厘米波厘米波 毫米波毫米波 亞毫米波亞毫米波紅外紅外波長波長頻率頻率1km100m10m1m10cm1mm0.1mm 300kHz3MHz 30MHz 300MHz 3GHz30GHz 300GHz 3000GHz10大氣窗口大氣窗口傳播衰減小傳播衰減小中心頻率：中心頻率：35GHz，94G

5、Hz，140GHz，220GHz帶寬：帶寬： 16GHz，23GHz，26GHz，70GHz112、微波電路的發(fā)展、微波電路的發(fā)展 微波電路的發(fā)展始于第二次世界大戰(zhàn)，經(jīng)過半個(gè)微波電路的發(fā)展始于第二次世界大戰(zhàn)，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展。多世紀(jì)的發(fā)展。 微波系統(tǒng)的功能采用的微波器件電路形式從單一的目標(biāo)檢測(cè)從單一的目標(biāo)檢測(cè)雷達(dá)雷達(dá)(軍用軍用)發(fā)展到通信及其它領(lǐng)域（民用等）發(fā)展到通信及其它領(lǐng)域（民用等）從電真空器件，發(fā)展到固態(tài)器件。從電真空器件，發(fā)展到固態(tài)器件。從波導(dǎo)立體電路，發(fā)展到混合集成電路從波導(dǎo)立體電路，發(fā)展到混合集成電路(HMIC)單片集成單片集成(MMIC)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)壽命長；體積小重量輕；

6、成本低。系統(tǒng)壽命長；體積小重量輕；成本低。優(yōu)點(diǎn)：一致性好；優(yōu)點(diǎn)：一致性好； 可批量生產(chǎn)；可批量生產(chǎn)； 成本低。成本低。12尺寸：尺寸：8585* *56mm (HMIC)56mm (HMIC)S S波段低噪聲放大器波段低噪聲放大器尺寸：尺寸：15401540* *710710m m60GHz60GHz低噪聲放大器低噪聲放大器(MMIC)(MMIC)(MMIC)13 為了加強(qiáng)無線電使用管理，國際電訊聯(lián)盟（為了加強(qiáng)無線電使用管理，國際電訊聯(lián)盟（ITU）制）制定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了不同頻段開展不同的業(yè)務(wù)。定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了不同頻段開展不同的業(yè)務(wù)。比如：比如：微波中繼：微波中繼：4GHz ; 星地

7、通信：星地通信：4GHz，12GHz，23GHz手機(jī)（手機(jī)（0.9/1.8GHz; 3G:電信電信1920-1935MHz和和2110-2125MHz；移動(dòng)移動(dòng)1880-1900MHz和和2010-2025MHz；聯(lián)通；聯(lián)通1940-1955MHz和和2130-2145MHz）藍(lán)牙（藍(lán)牙（2.4022.480GHz ）、對(duì)講機(jī)（民用）、對(duì)講機(jī)（民用409-410MHZ ） 微波系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)，通信，導(dǎo)航，精確制導(dǎo)，微波系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)，通信，導(dǎo)航，精確制導(dǎo)，遙控等等，我們身邊的電子產(chǎn)品幾乎毫無例外的離不開微波。遙控等等，我們身邊的電子產(chǎn)品幾乎毫無例外的離不開微波。例如：衛(wèi)星通信，移動(dòng)通信

8、，無線接入，射頻無線識(shí)別，例如：衛(wèi)星通信，移動(dòng)通信，無線接入，射頻無線識(shí)別，智能交通，汽車防撞，微波加熱智能交通，汽車防撞，微波加熱/干燥等干燥等2、微波集成電路的應(yīng)用、微波集成電路的應(yīng)用14衛(wèi)星高頻頭（衛(wèi)星高頻頭（LNB）C波段波段3.39.2GHz LNA BPF Mixer IF Amp. 9501450MHz35dB -2dB -6dB 30dB這個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)包括：這個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)包括：LNA，BPF，Mixer，IF Amp.總增益：總增益： 5560dBLO天線：天線：6m LO: DRO介質(zhì)穩(wěn)頻介質(zhì)穩(wěn)頻FET振蕩器振蕩器 噪聲溫度：噪聲溫度：20K 低噪聲器件：低噪聲器件：FETHEM

9、T；價(jià)格：；價(jià)格：1000元以上元以上1m100元。元。PLO 鎖相源鎖相源15目前達(dá)到的最高水平目前達(dá)到的最高水平： 4GHz / 6GHz /8 GHz / 40 GHz / 60 GHz / 95 GHz 0.3dB 0.6dB 0.8dB 1.5dB 2.0dB 3.0dB 目前，在毫米波的高端，由于技術(shù)的禁運(yùn)，國內(nèi)還沒有目前，在毫米波的高端，由于技術(shù)的禁運(yùn)，國內(nèi)還沒有LNA，主要以混頻主要以混頻中放組件作為接收中放組件作為接收 (直接混頻接收直接混頻接收)。微波微波LNA: 冷參量放大器冷參量放大器HEMT LNA(常溫常溫)的過程的過程16第二章第二章 微波集成電路基礎(chǔ)微波集成電路

10、基礎(chǔ)17主要內(nèi)容主要內(nèi)容l微帶電路及其不連續(xù)性微帶電路及其不連續(xù)性l阻抗變換阻抗變換lWilkinson功分器功分器l耦合器耦合器182.1 微波集成傳輸線微波集成傳輸線MIC常用的微波傳輸線常用的微波傳輸線(transmission line ) 微帶金屬膜 電力線 介質(zhì)基片 金屬底片 空氣 （a）標(biāo)準(zhǔn)微帶）標(biāo)準(zhǔn)微帶 （b）倒置微帶）倒置微帶 （c）懸置微帶）懸置微帶 Microstrip Suspended microstrip （d）帶線）帶線 Stripline （e）槽線）槽線Slot line19（f）共面波導(dǎo)）共面波導(dǎo) Coplanar waveguide （g）鰭線）鰭線 Fi

11、n lineMIC常用的微波傳輸線常用的微波傳輸線20微帶線微帶線l加工方便加工方便，可用照相印刷工藝，可用照相印刷工藝l易于易于與其它無源和有源器件與其它無源和有源器件集成集成l主要傳播主要傳播準(zhǔn)準(zhǔn)TEM模模 接地金屬板 接地金屬板 介質(zhì)基片 接地金屬板 微帶導(dǎo)體 （a）同軸線）同軸線(Coaxial line ) （b）帶線）帶線 （c）微帶線）微帶線可理解為由同軸線演變而成：可理解為由同軸線演變而成：特點(diǎn)：特點(diǎn)：使之成為微波集成電路中最流行的平面?zhèn)鬏斁€使之成為微波集成電路中最流行的平面?zhèn)鬏斁€21微帶線微帶線也可看作是由雙導(dǎo)線演變而來，其演變過程如下：也可看作是由雙導(dǎo)線演變而來，其演變過程

12、如下：導(dǎo)帶介質(zhì)基片接地橫截面三維圖w22微帶線的主模微帶線的主模 傳播方向的場(chǎng)分量很小，可忽略。此時(shí)可以看傳播方向的場(chǎng)分量很小，可忽略。此時(shí)可以看成微帶線傳輸成微帶線傳輸TEM波，但它與同軸線中的波，但它與同軸線中的TEM有所區(qū)別，所以叫做有所區(qū)別，所以叫做,2rW h 微帶線中的介質(zhì)是由空氣和介質(zhì)基片組微帶線中的介質(zhì)是由空氣和介質(zhì)基片組成的混合介質(zhì)系統(tǒng)，因此，在電磁波的成的混合介質(zhì)系統(tǒng)，因此，在電磁波的傳輸傳輸方向存在電磁分量方向存在電磁分量。時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng):23rpccvprcvcpvrepcv微帶線的相速微帶線的相速phase velocity 當(dāng)傳輸線全部由空氣填充時(shí)當(dāng)傳輸線全部由空氣填充時(shí)

13、當(dāng)傳輸線全部由介質(zhì)填充時(shí)當(dāng)傳輸線全部由介質(zhì)填充時(shí)當(dāng)傳輸線部分填充介質(zhì)時(shí)當(dāng)傳輸線部分填充介質(zhì)時(shí) 此時(shí)，傳輸線相速此時(shí)，傳輸線相速re它表示它表示：在微帶線尺寸和特性阻抗不變的情況下，用一均勻：在微帶線尺寸和特性阻抗不變的情況下，用一均勻介質(zhì)完全填充微帶周圍空氣以取代微帶的混合介質(zhì)（空氣介質(zhì)完全填充微帶周圍空氣以取代微帶的混合介質(zhì)（空氣介質(zhì)和介質(zhì)基片介質(zhì)和介質(zhì)基片混合介質(zhì)）。這種假設(shè)的均勻介質(zhì)的混合介質(zhì)）。這種假設(shè)的均勻介質(zhì)的介電常數(shù)介電常數(shù)定義為有效相對(duì)介電常數(shù)。定義為有效相對(duì)介電常數(shù)。edielectric constant 24微帶線的特性阻抗、波導(dǎo)波長微帶線的特性阻抗、波導(dǎo)波長這里：這里：

14、 為為空氣空氣微帶的微帶的特性阻抗特性阻抗 為為空氣空氣中的中的波長波長0CZ000ccrereZZg 此時(shí)，只需計(jì)算此時(shí)，只需計(jì)算 和和 ，即可得到微帶線特，即可得到微帶線特性參量。性參量。 0CZre 計(jì)算計(jì)算 和和 的典型方法，是利用電磁理論和的典型方法，是利用電磁理論和復(fù)變函數(shù)方法求解。復(fù)變函數(shù)方法求解。目前用軟件計(jì)算很方便目前用軟件計(jì)算很方便。0CZre傳播波長和微帶特性阻抗都隨頻率變化，稱為傳播波長和微帶特性阻抗都隨頻率變化，稱為色散色散。一般情況下，頻率低于一般情況下，頻率低于4 45GHz5GHz時(shí)，色散現(xiàn)象不嚴(yán)重。時(shí)，色散現(xiàn)象不嚴(yán)重。characteristic impeda

15、nce Waveguide wavelength 定性結(jié)論：定性結(jié)論：1）特性阻抗為一個(gè)實(shí)數(shù)）特性阻抗為一個(gè)實(shí)數(shù)；2) 當(dāng)當(dāng)W/h常數(shù)；常數(shù)；;pcrZgvh=0.25mm， r 2.22，Zc50 ，W0.76mmh=0.25mm， r 9.6，Zc50 ，W0.25mm3) 當(dāng)當(dāng) r 常數(shù)；高阻抗線窄，低阻抗線寬常數(shù)；高阻抗線窄，低阻抗線寬h=0.25mm， r 9.6，Zc71 ，W0.11mmW為微帶線寬度，為微帶線寬度，h為介質(zhì)基片厚度。為介質(zhì)基片厚度。26微帶線的損耗微帶線的損耗即由即由導(dǎo)體損耗導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗和和輻射損耗輻射損耗三部分組成。三部分組成。cdr c導(dǎo)體的衰

16、減系數(shù)，與微帶線的幾何尺寸有關(guān)，取決于金導(dǎo)體的衰減系數(shù)，與微帶線的幾何尺寸有關(guān)，取決于金屬導(dǎo)體電導(dǎo)率和表面不平度，屬導(dǎo)體電導(dǎo)率和表面不平度，是微帶線的主要損耗是微帶線的主要損耗。減小的方法減小的方法： 選擇表面電阻率小的材料，如銀，銅，金等選擇表面電阻率小的材料，如銀，銅，金等 導(dǎo)帶厚度為趨膚深度的導(dǎo)帶厚度為趨膚深度的35倍；倍； 提高導(dǎo)帶表面光潔度。提高導(dǎo)帶表面光潔度。27 介質(zhì)損耗系數(shù)。介質(zhì)損耗系數(shù)。電波在介質(zhì)中傳播的損電波在介質(zhì)中傳播的損耗，取決于基片材料耗，取決于基片材料其中其中 為介質(zhì)的損耗正切角。是減少介質(zhì)損耗為介質(zhì)的損耗正切角。是減少介質(zhì)損耗的根本（選用的根本（選用 小的介質(zhì)材料

17、）小的介質(zhì)材料） (/)dgdB mtgtgtrrrhr，；，；輻射損耗，由微帶電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的開放性引起，輻射損耗，由微帶電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的開放性引起，與微帶線的幾何尺寸和特性參數(shù)相關(guān)。與微帶線的幾何尺寸和特性參數(shù)相關(guān)。d28微帶尺寸的選擇微帶尺寸的選擇 微帶線傳輸準(zhǔn)微帶線傳輸準(zhǔn)TEM波，存在高次模式。波，存在高次模式。為減少高次模式的影響，微帶線的工作為減少高次模式的影響，微帶線的工作頻率要在各高次模截止頻率以下：頻率要在各高次模截止頻率以下：要求：要求：minminmin,4122TEhWhrrr型表面波 波導(dǎo)型TE波 波導(dǎo)型TM波 min為最短工作波長。為最短工作波長。微帶線中始終存在微帶線中始

18、終存在TM型表面波模（截止波長為無窮大）型表面波模（截止波長為無窮大）l只有在某一頻率上，只有在某一頻率上，TM表面波模和準(zhǔn)表面波模和準(zhǔn)TEM波主模相速接近時(shí)，波主模相速接近時(shí)，才產(chǎn)生強(qiáng)烈耦合，激發(fā)起才產(chǎn)生強(qiáng)烈耦合，激發(fā)起TM 表面波。表面波。29懸置式微帶線和倒置式微帶線懸置式微帶線和倒置式微帶線 特點(diǎn)：特點(diǎn)：l比微帶Q值高值高（5001500）；l阻抗阻抗(impedance )范圍寬范圍寬；l適用于濾波器濾波器Filter。 （b）倒置微帶）倒置微帶 （c）懸置微帶）懸置微帶30帶帶 線線 在無源微波集成電路使用最廣泛的傳輸線之在無源微波集成電路使用最廣泛的傳輸線之一。一。主模是主模是T

19、EM。槽槽 線線l容易實(shí)現(xiàn)高阻抗線、短路電路；容易實(shí)現(xiàn)高阻抗線、短路電路；l傳播模式基本是傳播模式基本是橫電波（橫電波（TE）。31共面波導(dǎo)共面波導(dǎo) 特點(diǎn)特點(diǎn)： 金屬導(dǎo)體位于同一平面內(nèi)（即在襯底的上表金屬導(dǎo)體位于同一平面內(nèi)（即在襯底的上表 面）；面）； 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 安裝安裝集總參數(shù)元件很集總參數(shù)元件很方便方便（不須在襯底上開孔或開（不須在襯底上開孔或開 槽）槽） ，無論并聯(lián)或串聯(lián)形式（有源和無源），無論并聯(lián)或串聯(lián)形式（有源和無源） 設(shè)計(jì)靈活；設(shè)計(jì)靈活； 準(zhǔn)準(zhǔn)TEM模模32鰭鰭 線線 特點(diǎn)特點(diǎn)：在矩形金屬波導(dǎo)：在矩形金屬波導(dǎo)E面嵌入槽線所組成的一面嵌入槽線所組成的一 種復(fù)合結(jié)構(gòu)；種復(fù)合結(jié)構(gòu)； 由

20、由TE和和TM模式組成的混合模模式組成的混合模； 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：混合集成、高混合集成、高Q、高頻段、高頻段； 分類分類： 單面鰭線、雙面鰭線、對(duì)脊線單面鰭線、雙面鰭線、對(duì)脊線 單面對(duì)稱單面對(duì)稱單面不對(duì)稱單面不對(duì)稱33基片介質(zhì)與導(dǎo)體材料基片介質(zhì)與導(dǎo)體材料l要求要求：微波損耗小、表面光滑度高、硬度強(qiáng)、韌性好、價(jià)微波損耗小、表面光滑度高、硬度強(qiáng)、韌性好、價(jià)格低。格低。l最最常用常用的基片介質(zhì)是的基片介質(zhì)是聚四氟乙烯纖維聚四氟乙烯纖維(環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂)板板、氧化氧化鋁陶瓷板鋁陶瓷板和和石英基片石英基片。l聚四氟乙烯纖維聚四氟乙烯纖維環(huán)氧樹脂板環(huán)氧樹脂板價(jià)格便宜價(jià)格便宜，雙面用熱壓法，雙面用熱壓法覆銅覆銅

21、，可直接光刻腐蝕電路，可直接光刻腐蝕電路，加工簡(jiǎn)便加工簡(jiǎn)便，應(yīng)用廣泛。，應(yīng)用廣泛。l氧化鋁陶瓷板氧化鋁陶瓷板的的介質(zhì)損耗小介質(zhì)損耗小，表面光潔表面光潔，介電常數(shù)高介電常數(shù)高，制，制作的作的MIC小巧精致。但是氧化鋁陶瓷板需真空鍍膜，小巧精致。但是氧化鋁陶瓷板需真空鍍膜，工藝工藝復(fù)雜復(fù)雜，成本高成本高。對(duì)于對(duì)于MIC來說，來說，最常用的金屬材料只是銅與金最常用的金屬材料只是銅與金。34微帶電路的微帶電路的設(shè)計(jì)與制作設(shè)計(jì)與制作l加工概要l電路設(shè)計(jì)和工藝加工的要點(diǎn)35加工概要加工概要l基片處理基片處理研磨拋光，鍍膜(蒸發(fā)、電鍍)(陶瓷和石英) 金屬層減?。ㄜ浕﹍版圖制作版圖制作圖形放大，照相制版

22、l光刻光刻涂感光膠（甩膠），曝光，腐蝕l孔化孔化與電鍍電鍍l元件焊接焊接無源元件，有源元件36電路設(shè)計(jì)和工藝加工的要點(diǎn)電路設(shè)計(jì)和工藝加工的要點(diǎn)l微帶線邊沿電場(chǎng)向兩側(cè)延伸，電場(chǎng)延伸距離大約等于2倍基片厚度。為避免線間耦合，微帶線間距離以及微帶至外盒邊壁距離應(yīng)保持為基片厚度的4倍以上。 l側(cè)向腐蝕裕量：一般情況下，可把微帶線寬加出12倍金屬膜厚作為腐蝕裕量。 l接地通孔：用金屬化通孔實(shí)現(xiàn)，孔直徑大于線寬。 l有封裝晶體管焊接：管腳引線和微帶電路焊接時(shí)，必須焊至管腳靠近管殼的根部(S參數(shù)參考面)。l管芯和梁式引線器件焊接： 勿用鑷子直接動(dòng)單片勿用鑷子直接動(dòng)單片 金錫合劑，熱壓焊。金錫合劑，熱壓焊。3

23、72.2 微波單片集成電路微波單片集成電路l概述l微波單片集成電路材料和加工技術(shù)l微波單片集成電路常用的元器件l微波單片集成電路工藝過程lMMIC技術(shù)及應(yīng)用 有源元件和無源元件都制作在一塊砷化鎵（GaAs）襯底上的電路稱為微波單片集成電路MMIC（Monolithic Microwave Integrated Circuit）38微波單片集成電路微波單片集成電路材料和加工技術(shù)材料和加工技術(shù) lGaAs材料： 電子遷移率高，其電子遷移率是硅的6倍 漂移速度大，是硅的2倍 寄生電阻小，所以器件速度快； lGaAs單晶生長：lGaAs外延生長： 39微波單片集成電路微波單片集成電路常用的元器件常用的

24、元器件l有源有源(active)元件元件絕大多數(shù)是砷化鎵(GaAs)金屬半導(dǎo)體勢(shì)壘場(chǎng)效應(yīng)管（簡(jiǎn)稱為MES FET或FET）; 毫米波頻段則是采用高遷移率晶體管（HEMT）和異質(zhì)結(jié)晶體管（HBT）; 正研究基于InP材料的MMIC，可將半導(dǎo)體光學(xué)器件如激光器和微波器件結(jié)合在一起，這對(duì)光電集成電路的發(fā)展以及光通信的發(fā)展會(huì)起重要作用。40無源平面元件無源平面元件（1）平面電感平面電感(inductor) A I A W S （a）方形 I I （b）六邊形 （c）圓形41（2）平面電容平面電容(capacitance ) （a）叉指式 I GaAs d I L W （b）平板疊層式42（3）電阻電阻

25、(resistance ) 半導(dǎo)體電阻半導(dǎo)體電阻 利用在離子注入溝道有源層時(shí)形成的N+或N-層，然后光刻出電阻的平面尺寸，通過腐蝕材料的厚度把阻值調(diào)到所需值。 薄膜電阻薄膜電阻 采用淀積NiCr（鎳-鉻）薄膜，然后光刻成要求的圖形，待做好歐姆接觸后需進(jìn)行熱處理，以使NiCr膜的電阻率達(dá)到穩(wěn)定。兩者比較兩者比較：薄膜電阻薄膜電阻具有較高的精度和熱穩(wěn)定性，被廣泛采用。但是在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該考慮到趨膚效應(yīng)，電阻值是頻率的函數(shù)。43（4）其它特種元件）其它特種元件l空氣橋和通孔空氣橋和通孔(via) ： 功能功能：元件互連及接地。 影響影響：寄生效應(yīng)，視為一元件看待。 等效等效： 空氣橋可視為一段傳輸線

26、； 通孔簡(jiǎn)化為一段終端短路的短截線。44微波單片集成電路工藝過程微波單片集成電路工藝過程l基本工藝技術(shù)（1）光刻：精度亞微米（2）離子注入（3）薄膜淀積（4）腐蝕（5）電鍍45MMIC技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)及應(yīng)用l適用頻率范圍適用頻率范圍：分米波的高端及厘米波和毫米波（包括亞毫米波）l優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）體積小，重量輕，成本低體積小，重量輕，成本低； 與現(xiàn)有的微波混合集成電路（HMIC）比較，體積可縮小90%99%，成本可降低80%90%。（2）便于批量生產(chǎn)，一致性好便于批量生產(chǎn)，一致性好； 采用半導(dǎo)體批量加工工藝，一旦設(shè)計(jì)定型后可大批量生產(chǎn)； 電路在制造過程中不需要調(diào)整。（3）可用頻率高，頻帶成倍加寬可

27、用頻率高，頻帶成倍加寬； 避免了有源器件管殼封裝寄生參量的有害影響，所以電路工作頻率和帶寬大大提高。（4）可靠性高，壽命長可靠性高，壽命長。 一般不需要外接元件，避免了內(nèi)部元件的人工焊接，接點(diǎn)和互連線減少，整機(jī)零部件數(shù)大量減少，可靠性大大提高(可提高100倍)。462.3 微帶電路的不連續(xù)性微帶電路的不連續(xù)性Microstrip circuit discontinuityl微波電路不連續(xù)性l微帶元件47微波電路不連續(xù)性微波電路不連續(xù)性l不連續(xù)性元件不連續(xù)性元件： 開路、短路線、導(dǎo)體間的間隙、阻抗變換器、直角和非直角的彎頭、T形或十字交叉結(jié)寄生電抗寄生電抗l對(duì)電路的影響對(duì)電路的影響： 窄帶電路中

28、頻率偏移頻率偏移； 輸入輸出電壓駐波比變差駐波比變差； 引起寬帶IC電路增益起伏較大增益起伏較大； 多功能電路中的接口受影響接口受影響； 由于不連續(xù)性使電路性能變壞而使成品率降低成品率降低； 在高增益放大器中造成表面波表面波和輻射耦合輻射耦合引起振蕩。48 典型的微帶線不連續(xù)性典型的微帶線不連續(xù)性（a）開路端Open耦合線濾波器49（b）導(dǎo)體間的間隙）導(dǎo)體間的間隙導(dǎo)體間的間隙Gap50（c）寬度躍變）寬度躍變阻抗變換器impedance transformer 51（d）直角彎）直角彎帯切角和不帶切角52（e）T型結(jié)型結(jié)53（f）交叉結(jié)）交叉結(jié)低阻抗短線54（g）半圓短路線）半圓短路線55（h

29、）扇形分支）扇形分支56 C C L （a）微帶線段 （b）線段等效電路 Zop op Zop （c）終端開路分支 （d）開路分支等效電路微帶元件微帶元件 Zsh op Zsh （e）終端短路分支（f）短路分支等效電路不連續(xù)性縱向很短短時(shí)，等效為單個(gè)電抗單個(gè)電抗；不連續(xù)性縱向較長長時(shí)，等效為 或或T型網(wǎng)絡(luò)型網(wǎng)絡(luò)。57微帶線不連續(xù)性分析方法微帶線不連續(xù)性分析方法l電磁場(chǎng)全波分析電磁場(chǎng)全波分析 用電磁場(chǎng)數(shù)值解法求出不連續(xù)性在不同頻率時(shí)的S參數(shù)，把不連續(xù)性當(dāng)做一個(gè)用S參數(shù)矩陣代表的微波網(wǎng)絡(luò)，包含了激發(fā)的多種高次模組合。 主要的電磁場(chǎng)數(shù)值解法有等效波導(dǎo)場(chǎng)匹配法、譜域法、直線法、有限元法、矩量法等。 優(yōu)

30、點(diǎn)：精度高優(yōu)點(diǎn)：精度高； 缺點(diǎn)：速度慢缺點(diǎn)：速度慢l等效電路分析等效電路分析 根據(jù)電磁場(chǎng)數(shù)值解的S參數(shù)矩陣，或者經(jīng)驗(yàn)公式（擬合公式）得出等效電路模型中電感、電容、電阻等； 優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算速度快；優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算速度快； 缺點(diǎn)：精度降低。缺點(diǎn)：精度降低。582.4 阻抗變換阻抗變換 Impendence conversionImpendence transformationl匹配(match)網(wǎng)絡(luò)位于負(fù)載負(fù)載(load)和主傳輸線之間和主傳輸線之間；l匹配網(wǎng)絡(luò)一般是無耗無耗(lossless )的，避免不必要的功率損耗；l通常設(shè)計(jì)成向匹配網(wǎng)絡(luò)看去輸入阻抗是輸入阻抗是Z0。l在匹配網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載之間有多次反射多

31、次反射。 Z0 匹配網(wǎng)絡(luò) 負(fù)載 ZL 用于匹配負(fù)載到傳輸線的網(wǎng)絡(luò) 59阻抗匹配的好處阻抗匹配的好處l當(dāng)負(fù)載與傳輸線匹配時(shí)（假定信號(hào)源是匹配的），可傳送最大功率，并且在饋線上功率損耗最小饋線上功率損耗最小。l對(duì)阻抗匹配靈敏的接收部件，如天線、低噪聲放大器等，可改進(jìn)系統(tǒng)的信噪比改進(jìn)系統(tǒng)的信噪比。l在功率分配網(wǎng)絡(luò)中，諸如天線陣饋電網(wǎng)絡(luò)，阻抗匹配可降降低振幅和相位誤差低振幅和相位誤差。60實(shí)現(xiàn)匹配需考慮的幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)匹配需考慮的幾個(gè)方面l只要負(fù)載阻抗有非零實(shí)部非零實(shí)部，就能找到匹配網(wǎng)絡(luò)；l考慮因素因素：復(fù)雜性、帶寬、可行性和可調(diào)性；l復(fù)阻抗（器件的輸入、輸出阻抗）匹配到實(shí)阻抗匹配到實(shí)阻抗（源、負(fù)載或傳

32、輸線的特性阻抗）。61l放大器最佳噪聲匹配 l最大功率增益l無反射匹配l匹配網(wǎng)絡(luò)的電路形式： 集總參數(shù)或分布參數(shù)元件。outMoptsopt或outM1ZZ圖2.12inM0ZZoutoptoutopt()()ZZ in0in()(0)ZR 輸入 匹配電路 Z1 62并聯(lián)導(dǎo)納型（或串聯(lián)阻抗型）匹配網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)導(dǎo)納型（或串聯(lián)阻抗型）匹配網(wǎng)絡(luò) jb R0 l1 l2 1 2 ZL 1 2 l1 l2 jb ZL R0 （a）輸入匹配電路（b）輸出匹配電路微帶分支線的終端開路或短路63l分支線的終端常用開路型常用開路型l如所需并聯(lián)導(dǎo)納為電感性電感性可用短路型短路型，縮短長度l實(shí)現(xiàn)微帶的短路，要在基板上打

33、通孔通孔，孔孔壁金屬壁金屬化化：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度差。R0 jb 1 2 l1 ZL l2 短路分支線并聯(lián)導(dǎo)納式匹配電路64l用作兩級(jí)電路間的匹配電路l并聯(lián)導(dǎo)納值一定時(shí)，后者稍短或稍細(xì)。l后者存在兩個(gè)諧振頻率 l1 l2 jb l3 l1 l2 l3 l4 2 b j 2 b j T型與十字型并聯(lián)導(dǎo)納式匹配電路T型并聯(lián)導(dǎo)納和十字并聯(lián)雙分支線型并聯(lián)導(dǎo)納和十字并聯(lián)雙分支線65阻抗變換型的匹配電路阻抗變換型的匹配電路2 1 G0 YL jb 4 g 2 1 G0 4gG 2 1 j b 4gj b 2 1 4g主傳輸線與負(fù)載匹配，主傳輸線與負(fù)載匹配，用四分之一波長用四分之一波長 1 2 l Z 1 2

34、l Z l Z 級(jí)間匹配，級(jí)間匹配，用四分之一波長用四分之一波長主傳輸線與負(fù)載匹配主傳輸線與負(fù)載匹配66微帶電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇原則微帶電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇原則(1)微波的高頻段，如工作在X頻段或更高，宜選用微帶阻抗跳變式的阻抗變換器。 不連續(xù)性計(jì)算容易、精度高、修正量??； 頻率高時(shí)，微帶線段物理尺寸往往是既短又寬，T型結(jié)構(gòu)高次模影響大，計(jì)算精度下降。（2）對(duì)于微波低頻端，如S頻段或更低端，宜選用分支微帶結(jié)構(gòu)。 阻抗跳變式物理尺寸較長，阻抗變換結(jié)構(gòu)電路尺寸過長。 T型結(jié)構(gòu)不連續(xù)性相對(duì)小，計(jì)算誤差影響減弱。67（3）當(dāng)微波管輸入阻抗為容性容性時(shí)，匹配電路第1個(gè)微帶元件宜選用電感性微帶單元電感性微帶單

35、元； 當(dāng)微波管輸入阻抗為感性感性時(shí)，宜用電容性電容性微帶單元微帶單元。 電感性微帶元件電感性微帶元件包括終端短路分支線和高阻抗窄微帶級(jí)聯(lián)線段； 電容性微帶元件電容性微帶元件包括終端開路分支線和低阻抗寬微帶級(jí)聯(lián)線段。682.5 功率分配器和耦合器功率分配器和耦合器 power divider couplerl用途用途：完成功率分配分配或功率合成合成。l在功率分配器中，一個(gè)輸入信號(hào)被分成兩個(gè)或多個(gè)較小的功率信號(hào)。l功分器通常采用等分(3dB)形式，但也有不等分的情況。l耦合器可以是有耗或無耗三端口器件有耗或無耗三端口器件，或者是四端口器件四端口器件。三端口網(wǎng)絡(luò)采用T型結(jié)或其他功分形式，而四端口網(wǎng)絡(luò)

36、采用定向耦合和混合網(wǎng)絡(luò)形式。l定向耦合器定向耦合器則可以設(shè)計(jì)為任意功率分配比，但混合網(wǎng)絡(luò)一般是等功率分配?；旌辖Y(jié)在輸出端口之間有90(正交)或180相移。69Wilkinson功率分配器功率分配器 1 Z0 2Z0 4gA Z0 2 3 02ZB Z0 微帶等功分Wilkinson功分器 70 3dB功分器場(chǎng)仿真圖功分器場(chǎng)仿真圖1端口2端口3端口中心頻率為3.70GHz71 3dB功分器場(chǎng)功分器場(chǎng)S參數(shù)仿真結(jié)果參數(shù)仿真結(jié)果中心頻率為3.70GHz72l帶寬帶寬約有一個(gè)倍頻程，在大于一個(gè)倍頻的帶寬內(nèi)可看到合適的平坦響應(yīng)特性。只是在頻帶兩端，負(fù)載阻抗影響了隔離度。l在功分階梯前面加入一個(gè)變換器變換

37、器，可改善輸入駐波比（VSWR）。l采用多節(jié)多節(jié)來展寬頻帶。有可能獲得十倍頻程帶寬，每節(jié)由一些四分之一波長線段組成。節(jié)數(shù)越多，得到的帶寬越寬，隔離度也越大。73 1 Z0 Z3 3 R 2 Z2 ZT2 ZT3 l l 不等分不等分Wilkinson功分器功分器l若微帶不等分Wilkinson功分器端口2和端口3之間的功率比是 ，則采用如下的設(shè)計(jì)公式： 23031KZZK22230(1)ZK ZZKK01RZKK232PKP20TZZK/4gl30/TZZK74N路路Wilkinson功分器功分器 0ZNZ0 0ZN0ZN0ZNZ0 Z0 Z0 Z0 Z0 Z0 Z0 Z0 4g微帶N路等分W

38、ilkinson功分器75耦合器耦合器l直接耦合式定向耦合器l分支線耦合器lLange耦合器l混合環(huán)耦合器76l四端口器件四端口器件l常用的表示符號(hào)和端口定義。l耦合因數(shù)耦合因數(shù)為 。l傳輸系數(shù)傳輸系數(shù)為 。l理想情況下，沒有功率傳送到端口4（隔離端口）。直接耦合式定向耦合器直接耦合式定向耦合器213S212S 輸入 隔離 輸入 隔離 1 4 1 4 2 3 2 3 直通 耦合 直通 耦合 定向耦合器的兩種常用表示符號(hào)和常規(guī)功率流向 77定向耦合器常用表征參量定向耦合器常用表征參量3110lg20lgdBPSP 13耦合度=C=3110lg20lgdBSPPS3441方向性=D=4110lg2

39、0lgdBPSP 14隔離度=I=耦合端口和非耦合端口間的方向性為：耦合端口和非耦合端口間的方向性為：D=I-C 輸入 隔離 輸入 隔離 1 4 1 4 2 3 2 3 直通 耦合 直通 耦合 78l微帶電路定向耦合器。l與匹配變換器和功分器一樣，可以采用多節(jié)結(jié)構(gòu)來增加帶寬。 耦耦合合 隔隔離離 輸入 直通 4g微帶定向耦合器79定向耦合器場(chǎng)仿真圖定向耦合器場(chǎng)仿真圖80分支線耦合器分支線耦合器 輸入 1 隔離 4 Z0 Z0 Z0 4g02ZZ0 Z0 Z0 2輸出 3輸出 02Z81l也稱為分支電橋，其直通和耦合臂的輸出之間有90相位差。l功率等分的3dB耦合器，制作容易制作容易，結(jié)構(gòu)方便結(jié)

40、構(gòu)方便（它的輸出端口位于同一側(cè)，因而結(jié)構(gòu)上易于同半導(dǎo)體器件結(jié)合，構(gòu)成如平衡混頻器、移相器和開關(guān)等集成電路）。l3dB分支線耦合器與3dB Lange耦合器均是正交正交混合網(wǎng)絡(luò)混合網(wǎng)絡(luò)(輸出有輸出有90 相位差相位差)，其基本工作原理均相同。 輸入 1 隔離 4 Z0 Z0 Z0 4g02ZZ0 Z0 Z0 2輸出 3輸出 02Z82微帶微帶3dB分支線耦合器場(chǎng)仿真圖分支線耦合器場(chǎng)仿真圖83各參數(shù)各參數(shù) 輸入 1 隔離 4 Z0 Z0 Z0 4g02ZZ0 Z0 Z0 2輸出 3輸出 02Z84Lange耦合器耦合器 為了達(dá)到3dB或者6dB的耦合系數(shù)，普通的耦合線耦合器的耦合太緊。 提高邊緣耦

41、合的一種方法是將耦合的兩條導(dǎo)體帶分裂成指狀，交替安置，構(gòu)成交指型耦合器，也稱為Lange耦合器. Lange耦合器 可分為折疊交指型耦合器和非折疊交指型耦合器。 通常設(shè)計(jì)成3dB耦合比，并有一個(gè)倍頻程或更寬的帶寬，易于用微帶電路來實(shí)現(xiàn)。 兩輸出端口之間有90相位差，所以Lange耦合器是正交混合網(wǎng)絡(luò)的一種類型。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：體積??；與雙耦合線器件比較，它的線間距較大線間距較大；與分支線耦合器比較，它的帶寬大帶寬大得多。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：因?yàn)檫@些耦合線很窄，又緊靠在一起，加工難度加工難度大大。而要橫跨在線之間的連接線加工也有難度連接線加工也有難度。 隔離 4 Z0 S Z0 2 直通 W 耦合 輸入 1

42、 Z0 Z0 3 4g85（a）折疊交指型）折疊交指型 隔離 4 Z0 S Z0 2 直通 W 耦合 輸入 1 Z0 Z0 3 4g86折疊交指型場(chǎng)仿真圖折疊交指型場(chǎng)仿真圖87（b）非折疊交指型）非折疊交指型 直通 輸入 2 1 4 3 隔離 耦合 88非折疊交指型場(chǎng)仿真圖非折疊交指型場(chǎng)仿真圖89混合環(huán)耦合器混合環(huán)耦合器 4 1 2 3 0Z0Z0Z4g34g4g4g02Z02Z90混合環(huán)耦合器混合環(huán)耦合器/4g/4g/4g/43g2CZ,原理：對(duì)臂隔離 鄰臂平分當(dāng)臂輸入P1=1時(shí), 臂P3=0(傳播路徑相差 )信號(hào)抵消.臂P2=P4=1/2,2=4/2g 用途用途：反相( )型平衡混頻器.

43、優(yōu)點(diǎn)：工作帶寬和隔離優(yōu)于3dB分支線電橋 缺點(diǎn)：兩平分臂被隔離臂分開，加公用偏壓困難0180ZcZcZcZc電路形式：/2g0180當(dāng)臂輸入P3=1時(shí), 臂P1=0(傳播路徑相差 )信號(hào)抵消.P2=P4=1/2,2-4=91微帶微帶3dB混合環(huán)耦合器場(chǎng)仿真圖混合環(huán)耦合器場(chǎng)仿真圖4端口2端口3端口1端口4輸入，輸入，2，3輸出，輸出，1被隔離被隔離（中心頻率為11.7GHz）92微帶微帶3dB混合環(huán)耦合器混合環(huán)耦合器S參數(shù)參數(shù)圖圖（中心頻率為11.7GHz） 4 1 2 3 0Z0Z0Z4g34g4g4g02Z02Z第三章第三章微波晶體管放大器微波晶體管放大器主要內(nèi)容主要內(nèi)容l微波雙極結(jié)型晶體管

44、l微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管 l微波晶體管放大器的特性l小信號(hào)微波晶體管放大器的設(shè)計(jì)l微波晶體管功率放大器特性l用小信號(hào)S參數(shù)設(shè)計(jì)微波晶體管功率放大器 3.1 引引 言言 l分類分類： 晶體管器件分為結(jié)型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管。l用途用途：放大器、振蕩器、開關(guān)、移相器、有源濾波器l結(jié)型晶體管結(jié)型晶體管包括雙極結(jié)型晶體管和異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管，它既可以是NPN結(jié)構(gòu)，也可以是PNP結(jié)構(gòu)。l材料材料：結(jié)型晶體管是使用硅、硅-鍺、砷化鎵和銦化磷材料制成。 l世界上第一只點(diǎn)接觸三極管出現(xiàn)在1948年，隨著半導(dǎo)體材料的不斷改進(jìn)和更新，晶體管的品種和性能取得了飛速發(fā)展。 3.1 引引 言言l20世紀(jì)50年代，三極管基本選

45、用的是鍺材料，其性能和可靠性都受到很大限制，基本沒有實(shí)用器件進(jìn)入微波領(lǐng)域。 l20世紀(jì)60年代初，隨著硅材料的改進(jìn)和平面工藝的出現(xiàn)，硅三極管性能的改進(jìn)不僅使其工作頻率進(jìn)入微波領(lǐng)域，而且還在不斷提高。 l硅結(jié)型晶體管用作放大器，頻率范圍可達(dá)210GHz，而用在振蕩器中時(shí)頻率高達(dá)20GHz。l使用SiGe的結(jié)型晶體管可用于20GHz或更高工作頻率。l異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（HBT）使用GaAs或InP材料，能在超過100GHz的頻率工作。 3.1 引引 言言 場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）可有多種類型：l金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET）l高電子遷移率晶體管（HEMT）l贗晶型高電子遷移率晶體

46、管（PHEMT）l金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）l金屬絕緣物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MISFET）3.1 引引 言言lGaAs材料材料：載流子遷移率高、耐高溫、抗輻射，適用于微波和高速器件。 lGaAs FET和和HEMT對(duì)低噪聲放大器特別有用對(duì)低噪聲放大器特別有用。 l硅硅微波晶體管主要用在S波段波段以下，價(jià)格便宜，可靠性高價(jià)格便宜，可靠性高。lGaAs FET 主要用在SK波段，價(jià)格較高價(jià)格較高，可靠性不如硅。lHEMT和和HBT主要用在毫米波主要用在毫米波。 3.2 微波雙極結(jié)型晶體管微波雙極結(jié)型晶體管 l雙極晶體管（BJT）由兩個(gè)相距很近的PN結(jié)組成，它包包含含電子和空穴兩種

47、極性的載流子電子和空穴兩種極性的載流子參與導(dǎo)電，所以稱為雙極晶體管（以區(qū)別單極管與FET），它是目前應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體器件之一。l硅雙極晶體管在X頻段以下有優(yōu)勢(shì)，而AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）在超過200GHz上占優(yōu)勢(shì)。l工作原理和直流特性與普通三極管相似工作原理和直流特性與普通三極管相似。 微波硅雙極性晶體管微波硅雙極性晶體管 金屬電極 B E B P+ P+ N+發(fā)射區(qū) P 基區(qū) N+襯底 C N 集電區(qū) 微波雙極晶體管結(jié)構(gòu)圖 微波硅雙極性晶體管微波硅雙極性晶體管 金屬電極 B E B P+ P+ N+發(fā)射區(qū) P 基區(qū) N+襯底 C N 集電區(qū) 雙極晶體管共射極簡(jiǎn)化等效

48、電路 u結(jié)構(gòu)尺寸大大縮小，基區(qū)寬度可小于0.1微米。u管殼有更小的分布參數(shù)。Cbc ,Cbe , Cce : 封裝電容Lb ,Le , Lc : 封裝電感0 : Ic/Ie （Vcb=0），發(fā)射極到集電極的電流傳輸系數(shù)（ =/（1+ ）晶體管的增益帶寬積增益帶寬積fT(即特征頻率即特征頻率)反映高頻放大性能反映高頻放大性能12Tecfec是發(fā)射極到集電極的總延遲時(shí)間 微波硅雙極性晶體管微波硅雙極性晶體管 提高微波雙極晶體管增益帶寬積的措施：l在功率容量和可靠性允許的條件下，應(yīng)盡量減小發(fā)射極面積。 l可減小基區(qū)寬度WB，電極尺寸受工藝水平限制，同時(shí)也影響器件的承受功率。l另一種方法是恰當(dāng)?shù)剡x擇基

49、區(qū)摻雜濃度與梯度來實(shí)現(xiàn)漂移場(chǎng)，加速載流子的運(yùn)動(dòng)速度。 微波硅雙極性晶體管微波硅雙極性晶體管 A A B B 微波雙極晶體管交指型結(jié)構(gòu)示意圖 B 剖面AA u高頻“集邊效應(yīng)”，使發(fā)射電流只集中在發(fā)射極的周界上，條帶結(jié)構(gòu)增加周長與面積比。u減小基區(qū)橫向電阻，降低噪聲。低噪聲雙極晶體管低噪聲雙極晶體管 l功率增益 GP ：在某一特定測(cè)試條件下，晶體管的輸出功率與輸入功率之比。 PoiGP P低噪聲雙極晶體管低噪聲雙極晶體管幾種功率增益：l插入增益GT：即共射極接法的微波管，插入到特性阻抗為Z0的傳輸系統(tǒng)中所提供的功率增益。 （s= L= 0）l最大可用功率增益Gmax（或MAG）:它是指在晶體管輸入

50、和輸出完全共軛匹配條件下，晶體管所能提供的最大實(shí)用功率增益，即l最大單向功率增益Gu，它與Gmax的不同在于它忽略內(nèi)部反饋，即假定S12=0時(shí)的最大功率增益為 221TGS221max12(1)SGKKS221221122(1)(1)uSGSS低噪聲雙極晶體管低噪聲雙極晶體管微波雙極晶體管GT、Gmax、 Gu與頻率的關(guān)系 規(guī)律規(guī)律：6dB/倍頻程下降 低噪聲雙極晶體管低噪聲雙極晶體管l噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)F ：晶體管的輸入端信號(hào)/噪聲功率比與輸出端信號(hào)/噪聲功率比的比值。 噪聲來源噪聲來源：l熱噪聲熱噪聲：主要由載流子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的，它的大小與晶體管本身歐姆電阻有關(guān)。l散粒噪聲散粒噪聲：由

51、于電流流動(dòng)時(shí)載流子運(yùn)動(dòng)的起伏產(chǎn)生的，其大小與電流成正比。l閃爍噪聲閃爍噪聲：一般認(rèn)為與半導(dǎo)體制造工藝及表面處理情況有關(guān)。 1iioooipS NNFSNNG低噪聲雙極晶體管低噪聲雙極晶體管噪聲系數(shù)（dB） 3dB/倍頻程 頻率（GHz） 6dB/倍頻程 3dB f1 0.1 fN 1.0 f2 雙極晶體管的噪聲系數(shù)隨頻率的變化 1/f 噪聲白噪聲噪聲系數(shù)噪聲系數(shù) 定義：定義：在輸入噪聲功率為在輸入噪聲功率為kTkT0 0B B 時(shí)，網(wǎng)絡(luò)輸入信噪比與輸出信噪比時(shí)，網(wǎng)絡(luò)輸入信噪比與輸出信噪比的比值，反映了網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的噪聲大小或者的比值，反映了網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的噪聲大小或者Te 。其中其中: :231.38

52、10J/K，波爾茲曼常數(shù)T0是常溫290K即輸入噪聲功率為-174dBm/Hz00000()11ieeeiSkGB TTTTTFkT BGSTT 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的噪聲功率：kTeB，Te為等效噪聲溫度。FL:k 2.5Gbps Ni=kT0B=-114dBm B=1MHz Si=-94dBm F1=2=3dB，G1=10 F2=2=3dB，G2=10 S01=-84dBm N01=kT0BG+(F-1) kT0BG =-104dBm-104dBm=-101dBm Si/Ni =20dB=100 S01/N01 =17dB=50 S02=-74dBm N02= N01G+(F-1) kT0BG =-9

53、1dBm-104dBm=-90.8dBm S02/N02 =16.8dB=47.9 F=F1+(F2-1)/G1=2+1/10=2.1=3.2dB 線性二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)線性二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)F F可以表示為：可以表示為： 2minsoptssenYYYRRFFminF式中：式中：RnRn為線性二端口網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲電阻。為線性二端口網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲電阻。：二端口網(wǎng)絡(luò)的最小噪聲系數(shù)。二端口網(wǎng)絡(luò)的最小噪聲系數(shù)。 YsoptGsopt+jBsopt：獲得最小噪聲系數(shù)：獲得最小噪聲系數(shù) 要求的最佳信號(hào)導(dǎo)納。要求的最佳信號(hào)導(dǎo)納。 minF它們都可以用測(cè)量的方法得到。它們都可以用測(cè)量的方法得到。Y Ys

54、 sG Gs s+jB+jBs s為信號(hào)源導(dǎo)納為信號(hào)源導(dǎo)納功率雙極晶體管功率雙極晶體管 l耗散功率大于1W的晶體管被定義為功率晶體管l電流容量大，要求增大發(fā)射極周長以及發(fā)射區(qū)和基區(qū)面積。即獲得最大的發(fā)射極周長/面積的比值。l電極結(jié)構(gòu)：梳狀結(jié)構(gòu)、覆蓋結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 功率雙極晶體管功率雙極晶體管 主要指標(biāo)有：l輸出功率l功率增益 l工作類別 功率雙極晶體管輸出功率功率雙極晶體管輸出功率l取決于自身的電流和電壓承受能力l常用的輸出功率定義： 飽和輸出功率飽和輸出功率 P0：指微波功率管在特定測(cè)試條件下所能獲得的最大輸出功率。 線性輸出功率線性輸出功率 P1dB：也稱為1dB增益壓縮時(shí)的輸出功率。

55、脈沖輸出功率脈沖輸出功率Pp ：當(dāng)晶體管在脈沖工作狀態(tài)下（脈沖調(diào)制微波），所能獲得的最大輸出功率。 Pp P0功率雙極晶體管功率雙極晶體管 斜率-功率增益 GP Pin Pout P0 P1dB 1dB 晶體管輸入-輸出功率曲線 晶體管在小信號(hào)工作時(shí)，其功率增益保持不變。但隨著輸入信號(hào)的增大，晶體管開始進(jìn)入非線性區(qū)，這時(shí)功率增益將隨著輸入增加而逐漸下降。當(dāng)增益下降到比線性增益低1dB時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸出功率即定義為1dB壓縮輸壓縮輸出功率出功率，有時(shí)也簡(jiǎn)稱為線性輸出功率線性輸出功率。功率雙極晶體管功率增益功率雙極晶體管功率增益l取決于晶體管的fT及其動(dòng)態(tài)阻抗。l功率管的測(cè)試往往是基于獲得最大輸出功

56、率基于獲得最大輸出功率，而對(duì)應(yīng)的增益就不是最大，一般給出的值都與輸出功率狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。l由于功率放大器是非線性工作非線性工作，小信號(hào)線性分析已不適用，目前實(shí)際電路設(shè)計(jì)中常采用以下三種方法，即動(dòng)態(tài)阻抗法、大信號(hào)S參數(shù)法和負(fù)載牽引法，因而對(duì)功率晶體管要求給出各種相應(yīng)的附加參數(shù)。說明說明：工作類別工作類別 l有三類，即甲、乙、丙三類（也稱為A、B、C三類）。l甲類：發(fā)射結(jié)處于正向偏壓，靜態(tài)時(shí)維持較高的靜態(tài)電流。 特點(diǎn)特點(diǎn)：增益高、噪聲低、線性好增益高、噪聲低、線性好； 缺點(diǎn)：輸出功率小且效率低，其理論效率為50%，實(shí)際25%40%l乙類：發(fā)射結(jié)處于零偏壓，靜態(tài)時(shí)無電流，在外信號(hào)到來時(shí)，開啟發(fā)射極結(jié)才能

57、進(jìn)行放大，只是開啟功率要比丙類小。 特點(diǎn)特點(diǎn)：與甲類相比是輸出功率大，效率高，其理論最高效率可達(dá)78%；而與丙類相比是線性好，增益高。 為克服零偏壓處的失真，也可稍加一點(diǎn)正向偏壓，這稱甲乙類（或AB類）放大。l丙類：發(fā)射結(jié)處于反向偏壓反向偏壓，靜態(tài)時(shí)沒有直流電流(只有很小的集電極反向漏電流)，當(dāng)外信號(hào)到來時(shí)，將發(fā)射結(jié)打開，才起放大作用。 特點(diǎn)特點(diǎn)：輸出功率大，集電極效率高輸出功率大，集電極效率高，最高理論效率可接近100%，實(shí)際可達(dá)50%70%； 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：增益低增益低、線性差線性差和和噪聲大噪聲大。異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT） l硅雙極晶體管是采用同一半導(dǎo)體材料形成PN結(jié)，稱

58、同質(zhì)結(jié)雙極晶體管。l結(jié)構(gòu)上存在基極電阻與發(fā)射極注入效率間的矛盾，限制頻率提高。l由不同半導(dǎo)體材料接觸形成的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管HBT可從根本上克服這個(gè)矛盾。 采用發(fā)射極比基極有更寬禁帶的半導(dǎo)體。通過選擇異質(zhì)結(jié)能帶，使HBT的電流增益與基極和發(fā)射極摻雜無關(guān)，降低了基極電阻、輸出電導(dǎo)以及發(fā)射極耗盡電容，從而大大改善了高頻性能。 3.3 微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管 lGaAs MESFET lGaAs HEMT GaAs MESFET GaAs MESFET的結(jié)構(gòu)示意圖 工作原理工作原理：控制柵壓Vgs（）可以靈敏改變耗盡層的寬窄，從而調(diào)制溝道厚度，最終達(dá)到控制漏流Ids（）Vgs0GaAs ME

59、SFET sR gsR dR + - D S G S gR mgig v dsG dgC dcC gsC dsC W S Rs Rgs Cgs Rds Cdc Rd Cdg D G Cds gmvgi Rg （a）管芯等效電路 （ b）等效電路元件在結(jié)構(gòu)中的位置 MESFET管芯等效電路 Cgs: 柵源部分耗盡層結(jié)電容Rg, Rs, Rd:柵、源和漏極串聯(lián)電阻（體電阻及引出端接觸電阻）gm: 小信號(hào)跨導(dǎo)， gm Vgi 受控電流源GaAs MESFETl參數(shù)參數(shù)包括：零柵漏極電流包括：零柵漏極電流Idss、共源正向跨導(dǎo)、共源正向跨導(dǎo)gm、柵漏擊、柵漏擊穿電壓穿電壓VBR、夾斷電壓、夾斷電壓Vp

60、以及柵以及柵-源截止電流源截止電流Igss等。等。l頻率參數(shù)頻率參數(shù)fT的定義與雙極晶體管的不同，它由下式表示：的定義與雙極晶體管的不同，它由下式表示：lCgs是是FET的柵的柵-源電容，源電容，l gm是共源正向跨導(dǎo)，其定義為：在共源電路中，固是共源正向跨導(dǎo)，其定義為：在共源電路中，固定漏壓下，單位柵壓改變引起的漏極電流改變，定漏壓下，單位柵壓改變引起的漏極電流改變，即即 ，Vds=常數(shù)。常數(shù)。 2mTgsgfCmdsgsgIV 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Ids/Idss 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Vds/Vp 0.8 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2