射頻(rf)器件基礎知識培訓解讀課件

1、射頻器件基礎知識2022/7/24射頻器件基礎知識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知識（主要功能、關鍵指標、內(nèi)部結構、工作原理）射頻放大器射頻開關射頻衰減器功分器、耦合器環(huán)形器、隔離器混頻器濾波器2022/7/24射頻器件基礎知識3射頻電路基礎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2022/7/24射頻器件基礎知識4阻抗的定義射頻電路中阻抗的概念有很多，對于器件有器件阻抗，對于2端口網(wǎng)絡有輸入阻抗和輸出阻抗，對于傳輸線有特性阻抗2022/7/24射頻器件基礎知識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

2、。對于TEM波傳輸線，特征阻抗又等于單位長度分布電抗與導納之比。無耗傳輸線的特征阻抗為實數(shù)，有耗傳輸線的特征阻抗為復數(shù)。2022/7/24射頻器件基礎知識62022/7/24射頻器件基礎知識7端口阻抗我們分析阻抗和阻抗匹配問題的目的就在于使電路中任意一個參考平面向源端和向負載端的阻抗相等，從而使信號完全通過該參考面，不發(fā)生反射。如果對于某參考面2端阻抗不等則會產(chǎn)生反射現(xiàn)象形成駐波。見下圖：在參考面A處情況1：阻抗連續(xù)，沒有反射，傳輸線上各點電壓相等，形成行波情況2：阻抗跳變，發(fā)生反射，形成駐波情況3：短路或開路發(fā)生全反射2022/7/24射頻器件基礎知識8反射系數(shù)與駐波系數(shù)反射系數(shù)：定義為反射

3、信號電壓電平與入射信號電壓電平之比駐波系數(shù)：定義為射頻信號包絡的最大值與射頻信號包絡的最小值之比2022/7/24射頻器件基礎知識9阻抗匹配2022/7/24射頻器件基礎知識10射頻電路基礎噪聲什么是噪聲？噪聲與干擾噪聲因子與噪聲系數(shù)2022/7/24射頻器件基礎知識11什么是噪聲？信號中所有的無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)的任務之一是與噪聲及干擾作斗爭，盡可能減小系統(tǒng)本身產(chǎn)生的噪聲，盡可能在傳遞信號、處理信號的過程中使信噪比的惡化降到最小，這是設計射頻電子系統(tǒng)首要考慮的問題。2022/7/24射頻器件基礎知識12噪聲與干擾噪聲可分為自然的和人

4、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、感應噪聲和接觸不良噪聲等干擾一般來自于外部，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)干擾和無線電臺干擾2022/7/24射頻器件基礎知識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，是用來衡量射頻部件對小信號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：噪聲的級聯(lián)公式：2022/7/24射頻器件基礎知識14射頻電路基礎S參數(shù)射頻網(wǎng)絡：S參數(shù)2端口網(wǎng)絡的S參數(shù)2022/7/24射頻器

5、件基礎知識15射頻網(wǎng)絡射頻設計中所指的網(wǎng)絡為具有固定輸入和輸出關系的一段電路，網(wǎng)絡有N個輸入輸出接口就叫N端口網(wǎng)絡2022/7/24射頻器件基礎知識16S參數(shù)對N網(wǎng)絡進行分析需要常用網(wǎng)絡參數(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端口輸入一定的功率后在其他端口引起的輸出，實部表示功率電平，虛部表示相位2022/7/24射頻器件基礎知識172端口網(wǎng)絡的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2022/7/24射頻器件基礎知識18射頻電路基礎非線性失真什么是線性失真？

6、什么是非線性失真？非線性失真的主要指標2022/7/24射頻器件基礎知識19線性與非線性線性失真：信號波形的等比例的放大、縮小、相位移動等變化非線性失真：信號波形的不等比例的放大、縮小、相位移動等變化2022/7/24射頻器件基礎知識20非線性失真的主要指標非線性失真的主要指標IMD3IP3P1dB2022/7/24射頻器件基礎知識21非線性失真的主要指標IMD3三階交調(diào)（IMD3）三階交調(diào)（雙音三階交調(diào)）是用來衡量非線性的一個重要指標三階交調(diào)常用dBc表示，即交調(diào)產(chǎn)物與主輸出信號的比2022/7/24射頻器件基礎知識22非線性失真的主要指標IP3、P1dBIP3任一微波單元電路，輸入信號增加

7、1dB，輸出三階交調(diào)產(chǎn)物將增加3dB，這樣輸入信號電平增加到一定值時，輸出三階交調(diào)產(chǎn)物與主輸出信號相等，這一點稱為三階截止點PndBndB壓縮點用來衡量電路輸出功率的能力當輸入信號較小時，其輸出與輸入可以保證線性關系，隨著輸入信號電平的增加，輸入電平增加1dB，輸出將增加不到1dB，增益開始壓縮，增益壓縮ndB時的輸入信號電平稱為輸入ndB壓縮點2022/7/24射頻器件基礎知識23射頻電路基礎功率射頻信號的功率常用dBm、dBW表示，它與mW、W的換算關系如下：例如信號功率為x W，利用dBm表示時其大小為：例如：1W等于30dBm，等于0dBW。2022/7/24射頻器件基礎知識24目錄射

8、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知識（主要功能、關鍵指標、內(nèi)部結構、工作原理）射頻放大器射頻開關射頻衰減器功分器、耦合器環(huán)形器、隔離器混頻器濾波器（聲表、介質(zhì)）VCO、頻綜2022/7/24射頻器件基礎知識25射頻放大器低噪聲放大器主要功能、關鍵指標、分類內(nèi)部結構工作原理射頻小信號放大器主要功能、關鍵指標、分類內(nèi)部結構工作原理射頻大功率放大器主要功能、關鍵指標、分類內(nèi)部結構工作原理2022/7/24射頻器件基礎知識26低噪聲放大器功能、指標功能：在盡量小的惡化系統(tǒng)噪聲系數(shù)的前提下，對信號進行放大主要指標：噪聲系數(shù)增益分類分離器件 與 MMICMESFET 與 HEMT/

9、pHEMT2022/7/24射頻器件基礎知識27低噪聲放大器內(nèi)部結構以ATF-54143為例2022/7/24射頻器件基礎知識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2022/7/24射頻器件基礎知識29低噪聲放大器工作原理HEMT/pHEMT工作原理：與MESFET基本相同的器件結構2DEG溝道層柵電容控制2DEG電流的強弱源-漏間距LSD、柵長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、

10、功率HEMT原理PHEMT層結構2DEG層2D2022/7/24射頻器件基礎知識30射頻小信號放大器功能、指標功能：信號的線性放大主要指標：增益P1dBOIP3噪聲系數(shù)分類Si、SiGe、GaAs 與 InGaPHBT 與 MESFET2022/7/24射頻器件基礎知識31射頻小信號放大器內(nèi)部結構以SGA-6486為例2022/7/24射頻器件基礎知識32射頻小信號放大器工作原理2022/7/24射頻器件基礎知識33射頻小信號放大器工作原理SGA-6486內(nèi)部電路結構2022/7/24射頻器件基礎知識34射頻大功率放大器功能、指標功能：大功率信號的線性放大、輸出主要指標：增益P1dBOIP3P

11、out分類分離、單片集成、混合集成Si、GaAs、SiCLDMOS、VDMOS、BJT2022/7/24射頻器件基礎知識35射頻大功率放大器(LDMOS) 內(nèi)部結構2022/7/24射頻器件基礎知識36LDMOS平面結構的掃描電鏡照片(MRF9080)：射頻大功率放大器(LDMOS) 內(nèi)部結構2022/7/24射頻器件基礎知識37射頻大功率放大器內(nèi)部結構單片集成混合集成2022/7/24射頻器件基礎知識38射頻大功率放大器(LDMOS) 工作原理LDMOS剖面結構LDMOS，Laterally Double-Diffused Metal Oxide Semiconductors，橫向雙擴散晶體

12、管 LDMOS是為射頻功率放大器設計的改進的n溝道增強型MOSFET。LDMOS FET典型剖面結構圖2022/7/24射頻器件基礎知識39LDMOS 結構特點橫向溝道LDMOS最大的特征是具有橫向溝道結構，漏極、源極和柵極都在芯片表面 雙擴散技術（Double Diffusion） LDMOS采用雙擴散技術，在同一光刻窗口相繼進行硼（B，形成 P- 區(qū)）、磷（P，形成 N- 區(qū)）兩次擴散，由兩次雜質(zhì)擴散橫向結深之差可以精確地決定溝道長度 L 。由于目前擴散工藝很成熟，溝道長度L可以做得很?。?um以下）并且不受光刻精度的限制 無BeO隔離層一般地，襯底直接接地，不需BeO隔離，以降低熱阻，達

13、到最好的散熱效果，同時減低了封裝成本。由于BeO為有毒物質(zhì)，不用BeO有利于保護環(huán)境2022/7/24射頻器件基礎知識40LDMOS 結構特點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低濃度的 n- 漂移區(qū)（N- LDD），LDD可以通過注入磷（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)域的電場強度（是導致熱載流子的主要原因）大約降低80%，同時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Faraday Shi

14、eld（法拉第屏蔽）起屏蔽作用，可以降低柵極邊緣電場，從而提高漏源擊穿電壓，減小生成熱載流子的因素。同時，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的增加了Cgs的值。在電路設計中，優(yōu)化輸入匹配網(wǎng)絡可以抵消增加的Cgs2022/7/24射頻器件基礎知識41射頻開關功能、指標功能：控制信號、選擇通道主要指標：插入損耗隔離度分類GaAs、SiPin管、MESFET、PHEMT、SOI MOSFET單刀單擲開關、單刀雙擲開關、單刀四擲開關、雙刀雙擲開關等2022/7/24射頻器件基礎知識42射頻開關內(nèi)部結構以AS123為例：2022/7/24射頻器件基礎知識43

15、射頻開關工作原理并聯(lián)型：插損小、隔離差串聯(lián)型：隔離好、駐波差2022/7/24射頻器件基礎知識44射頻開關工作原理“” 型：各項指標較平均“T ” 型：隔離度高2022/7/24射頻器件基礎知識45射頻開關工作原理浮地應用優(yōu)點：正壓控制缺點：引入浮地電容2022/7/24射頻器件基礎知識46射頻衰減器功能、指標功能調(diào)整增益、控制輸出功率主要指標衰減量插入損耗分類PIN管、MESFET壓控衰減器、數(shù)控衰減器2022/7/24射頻器件基礎知識47射頻衰減器內(nèi)部結構壓控衰減器AT110數(shù)控衰減器AT65（內(nèi)部帶有CMOS驅動芯片）2022/7/24射頻器件基礎知識48射頻衰減器工作原理壓控衰減器原理

16、電壓控制MESFET導通程度2022/7/24射頻器件基礎知識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)絡作為衰減元件2022/7/24射頻器件基礎知識50射頻衰減器工作原理數(shù)控衰減器原理2022/7/24射頻器件基礎知識51功分器、耦合器功能、指標功能功率的分配、耦合主要指標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：帶狀線復合材料GaAs ICLTCC2022/7/24射頻器件基礎知識52功分器內(nèi)部結構威爾金森功分器磁芯材料功分器2022/7/24射頻器件基礎知識53功分器內(nèi)部結構GaAs IC功分器以PD0

17、9為例：2022/7/24射頻器件基礎知識54耦合器內(nèi)部結構帶狀線復合材料GaAs IC2022/7/24射頻器件基礎知識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2022/7/24射頻器件基礎知識56環(huán)形器、隔離器功能、指標功能控制信號單向傳送，在大信號場合用于改善電路匹配，駐波檢測等應用主要指標工作頻率范圍插入損耗反向隔離度功率容量分類上磁結構上下磁結構側磁結構2022/7/24射頻器件基礎知識57環(huán)形器、隔離器內(nèi)部結構環(huán)形器的三種結構：2022/7/24射頻器件基礎知識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端口接匹配負載的環(huán)形器，稱為隔離器2022/7/24射頻器件

18、基礎知識59環(huán)形器、隔離器工作原理環(huán)行器結構與原理法拉第旋轉效應、鐵磁共振效應2022/7/24射頻器件基礎知識60環(huán)形器、隔離器工作原理2022/7/24射頻器件基礎知識61混頻器功能、指標功能利用混頻二極管的非線性特性實現(xiàn)頻率的搬移主要指標變頻損耗（無源） 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源二極管混頻器有源吉爾伯特混頻器MESFET混頻器2022/7/24射頻器件基礎知識62無源二極管混頻器內(nèi)部結構由二極管管堆、傳輸變壓器BALUN、陶瓷或者FR-4基板制作的混頻器是業(yè)界主流結構形式。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

19、程的優(yōu)點2022/7/24射頻器件基礎知識63吉爾伯特混頻器內(nèi)部結構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是兩種主要的結構單元。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2022/7/24射頻器件基礎知識64無源MESFET混頻器內(nèi)部結構管芯多采用了MESFET平衡式管堆結構，其余與二極管混頻器基本類似2022/7/24射頻器件基礎知識65有源MESFET混頻器內(nèi)部結構MMIC MESFET 混頻器2022/7/24射頻器件基礎知識66混頻器工作原理射頻信號與本振信號通過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為高功率輸入，用于控制二極管或者場效應管的開通與截止2022/7/24射頻器件基礎知識67混頻器工作原理上圖分別為中頻端口的時域與頻域圖形。2022/7/24射頻器件基礎知識68濾波器（聲表、介質(zhì)） 功能、指標功能抑制通道中不需要的頻率成分，保證各個信號通道的相互獨立主要指標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2022/7/24射頻器件基礎知識69聲表濾波器內(nèi)部結構