（无线电物理专业论文）微波有源环行器研究.pdf

中文摘要 中文摘要 微波环行器作为一种重要的器件，广泛应用于通信和雷达系统中的收发组件 上。传统环行器通常利用铁氧体材料的特性构成，因而需要外加工作磁场，其体 积和重量往往比较大，且不利于集成，给使用带来不便。而有源环行器则具有体 积小、重量轻、不需要外加磁场，易与m m i c 技术兼容的特点。 本文阐述了有源环行器的设计理论和方法。首先分析了几种有源环行器的基 本原理，然后对典型功分器功率合成器类型进行了电路结构改进，并对其进行了 噪声分析。在理论分析的基础上，采用e d a 软件对环行器进行仿真和优化。 最后，利用h e m t 管研制成c 波段混合集成有源准环行器，其中心频率为 5 8 g h z ，得到与仿真值较为一致的实测值。实验结果显示在5 4 6 g h z 范围内， 器件的增益大于l d b ，反向隔离大于1 8 d b ，收发隔离大于2 5d b ，噪声系数约为 4 5 d b 。改进后的有源环行器其增益优于国内己见报道的c 波段单片有源环行器， 隔离度及噪声优于国外同频段m m i c 环行器。 关键词：c 波段，有源环行器，h e m t 管 a b s t r a c t a b s t r a c t a se s s e n t i a l d e v i c e s ，m i c r o w a v e c i r c u l a t o r sa r e w i d e l y u s e da s i m p o r t a n t c o m p o n e n t sf o rc o m m u n i c a t i o n sa n dr a d a rt r a n s c e i v e r s t h ep r e v i o u sg e n e r a t i o n so f c i r c u l a t o r sa r ec o m p o s e do ff e r r i t ew h o s ep r o p e r t i e sa r er e a l i z e db ya d d i n gb i a shf i e l d t oi t ，w h i c hl e a d st ot h eh u g es i z ea n dh e a v yw e i g h to fs u c hd e v i c e sa sw e l la s i n c o n v e n i e n c eo ft h e i ri n t e g r a t i o nw i t hm m i ct e c h n o l o g y a c t i v ec i r c u l a t o r so f f e ra n a l t e r n a t i v ea p p r o a c ht of e r r i t ec i r c u l a t o r sw i t hp o t e n t i a la d v a n t a g e si ns m a l ls i z e ，l i g h t w e i g h t ，a n dc o m p a t i b i l i t yw i t hm o n o l i t h i c m i c r o w a v e c i r c u i t ( m m i c ) t e c h n o l o g y t h i sp a p e ra i m st op r e s e n tt h et h e o r ya n dm e t h o df o rd e s i g n i n ga c t i v ec i r c u l a t o r s i no r d e rt oa c h i e v et h a t t h i sp a p e rb e g i n s 丽ma na n a l y s i so ft h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e s o fs e v e r a lt y p e so fa c t i v ec i r c u l a t o r s ，f r o mw h i c ht h et y p i c a ld i v i d e r c o m b i n ek i n d ， b a s e do nad e t a i l e da n a l y s i so fn o i s ef i g u r e ，i si m p r o v e df o rr e a l i z i n gt h em i c r o w a v e a c t i v ec i r c u l a t o r s o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dw i t ht h eh e l po fe d as o f t w a r e ， t h ea c t i v ec i r c u l a t o r sa r em o d e l e da n ds i m u l a t e d a na c t i v eq u a s i c i r c u l a t o ru s i n gh e m tw a sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e df i n a l l y t h e c i r c u l a t o r o p e r a t ea tcb a n d ( f 0 = 5 8 g h z ) t h er e s u l ti sv e r yc l o s et ot h es i m u l a t e do n e ： w i t h i n5 4 g h z 6 g h z ，t h eg a i no f t h ed e v i c ea r el a r g e rt h a nl d b ，i s o l a t i o ng r e a t e rt h a n 18 d b ，a n dn o i s ef i g u r ea b o u t1 5 d b t h eg a i no ft h ea c t i v ec i r c u l a t o r si sb e t t e rt h a nt h a t o ft h ec b a n dm o n o l i t h i ca c t i v ec i r c u l a t o rr e p o r t e di nd o m e s t i cm a g a z i n e s ，w h i l et h e i s o l a t i o na n dn o i s eo ft h ea c t i v ec i r c u l a t o r sa r es u p e r i o rt ot h a to ft h em m i cc i r c u l a t o r a tt h es a m eb a n dr e p o r t e da b r o a d k e y w o r d s ：cb a n d ，a c t i v ec i r c u l a t o gh e m t i i - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：罢塞兰! ! 日期：2 司年；月陟日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：翼i ! ! ：! 王 导师签名： 日期：2 。o 了年弓月s - 日 引言 第一章弓| 言 环行器，一种只允许信号从一个端 = = i 到另一个端口单向流动的三端器件，在 通信系统或者雷达中厢于隔离发射和接收通道。在二次世界大战中，环行器、隔 离器等器件的应用，解决了雷达系统的级间隔离、阻抗以及天线共用等一系列实 瓣稠蘧，辍丈圭遣提疯了莺达系统戆战术髋能，藏袭系统中熬关键器 孛。诧蜃，环 行器得垂了快速静教溪，它被广泛应鬻予逐信和雷达系统中的收发组俘上。 在雷达、无线通信、微波通信及无线局域网系统中，射频前端部分占有非常 熬要的作用，主要完成无线信号的收靛。众所周知，无线邋信系统的一条通信线 路包括发射系统和接收系统。收、发系统共用一副天线，又疆将收、发信号分开， 溅恧在天线与接收、发爨设器系统连接熬媳方必须装置琢行器。下圈i l 是无线收 发信税( t r a n s c e i v e r ) 熬麓颓蓠溃部分示意圈 j 。 基带 输出 强 一l ：徽波牧发信税结鞠疆圈 从上图可知，微波环行器是射频微波收发系统中很熏露的组成部分，环行器 作收发双工之用，迄接着天线和收、发链路，在移动通信中扮演着“上传下达” 的照要角色，即通过环行器的功能使信号的收和发可由付天线完成。对一个环 亍器嚣言，当一溃翻矮发射规，二端嗣接天线，三爨口接接收襁时，发射枫发出 豹微波信号大部分只辘通过二端v 1 瓣天线发送蠢去，只骞乡豢信号渣添到三滚隘 谶入接收机；天线接收到的微波信号大部分只能传递到三端口的接收机，从f i i i 避 纯了微波信号的相互影响，所以微波在环行器的各端口间的传输是非互易的。正 电子辩拽太学硕士学位论文 因为如此，环行器作为种非常重蘩的菲互翕器件在无线通倍麓站及终端产晶中 得到非常广泛的使用，既可以保证发射信号尽量不向接收端泄漏，同时又可防止 因发射天线的开路或短踌引起天线系统失配的情况下，由予反射波造成对发射枧 后缀功率放大器 睾懿损坏。蓝羚，它还哥驻舞在移稿、延霹戮及多疆分离遴邋中。 1 1微波环行器的发展现状及趋势 经过了半个多筐毙豁发展，在广大理论工作者和工程技术人员的努力下，微 波、环行器在理论研究及工程应用上都取得了极大的进展。在器件工作原理方面， 从上世纪中第一只法拉篇旋转环行器如现到后来囊勺场移式器件，随着h b o s m a 2 蕤窭结鳌环彳亍器嚣撤怒鹣结鍪环嚣爨繇究夔熬濑，隧及交t a n a k a 凄双较黧菇体警 实现环行器p j 而引出的对m m i c 环行器的一系列研究；在分析方法方面， 妊现了 有限元法( f e m ) 、边界元法( b e m ) 、时域有限差分法( f d t d ) 【4 】、矩量法( m o m ) 等一系列恕磁场分孝厅方法；在传簸线豹形式方西，扶最初豹波导型、同辘转换环 行器蓟蕊在的微带式、集中参数式、全磁( 垒铁氟体) 式等微小型器件，以及鳍 线、槽线锊各种环行器；在器件尺寸大小方面，从大体积的波导式结型、麓相移 式环行器到应用于手机镣无线设备的超小型环行器【5 ，以及受微波毫米波集成电路 技术匏搭动褥磷究开发懿m m i c 舔行器箨谖薄羧嚣侮等；在王佟频率方蘸，已经 形成了从特高频到微波段甚至毫米波段( 主要是8 m m ) _ 的产晶系列。可见微波 环行器是期酱体积小、整量轻、结构简单和性能可靠以及频段化的方向发展，现 在已有蚤静影式、不同频段豹产品巍毽，基本土醚经形残了系列位、频段讫葶叠巍 品化。据资料显示口l ，2 0 0 3 年我国环行器，隔离器的产量约为1 0 0 万只左右，l 亿 元的销售产值。不仅产髓提高，产品的性能水平也大大提高，特点是结构小裂化、 壳体体、低缀耗以及匙好的温度稳嫩性器件的设计开发大有改躐，与世界先进水 平静差疆己逐步缩小。瓣且蘧着莺家对第三代移动通信( 3 g ) 致策黪逐濒翻鼗， 给微波器件的发展带来了更好的契机。 l 。l ，l 铁缀体环行器的研究动态 随着阐内外无线通信事业的飞速发展及其对微波技术、徽波电路稻器件的发 展要求来餐，微波铁氧体器件和材料的研究重点鼹探索新的生产工艺和新的技术 途径，进行掰材料的研究和新型器件的开发。丽针对铁氧体材料需要外加工作磁 场两引来诲多不侄蕊闯遂，需要开笈免受材辩约菜靛环行器。并且，为了攀攀毫 2 引言 予战需求，研究开发新型超宽带和毫米波器件也是一个方向。仅就环行器而言， 辍嚣主要是基于传统瓣结型环行器的开发粒生产，然丽这在理浍研究，工程技术 开发方蚕已经孝霞当裁熬，所戳嚣兹它瓣发展趋势是豫保存凌有匏系襄产鑫应鲻瀵 能外，还要进步撼小尺寸、重量和降低造价，尤其值褥露视的是应该积极探索 新的设计思路、方法，研究新的器件、电路实现形式以及开发毫米波器件和电路。 然而在毫米波段，微波铁氧体的研究和开发难度较大，一方面需要高饱和和磁化 强度的铁氧体材料，僬是常用的微波铁鬣体材斟的饱积磁化强度( 4 万m s ) 很少有 越过5 0 0 0 毫颤。雯努王 睾在毫米波段麴瓣 孛其有较毫兹余矮攒耗及磁损耗，魏露 降低损耗也是开发纛米波器件的难点乏；而且工作在毫米波频段的结环行器稀 要很大的外偏置磁场，这在技术上不窬翰做到，为解决这一闽题，人们一方酾寻 找新的材料，采用六角晶系铁氧体，利用其自身很大的磁晶各向异性场来减小对 外磁场的需求：另方面，人们把目光投向了设计对外偏鼹磁场需求相对较小的 级滋器 孛。i k u oa w a i 秘t a t s u oi t o h 瘸藕合攘理论分辑缴国磁纯 互易结药，撬 出种分而参数隔离秣谈型，数值计算证明了制作工作频率在2 0 0 g h z 的隔离器懿 可能性。随后l e d a v i s 等人发现纵向磁化铁氧体耦合线( f c l ) 可能应用于非互 易器件，提出了一种新颖的鳍线结构四端口环行器模型，m a z u r 和m r o z o w s k i 等避 阁耦台模理论来解释纵向磁化铁氧体耦含线中奇偶模的耦合作用以及两条耦合线 土量貔毽稔及分凝情嚣，著黑模式霆怒法缮到了f c l 部分瀚数菇矩终。m a z u r 提 鐾了毫米波三端曩和陵磷目的波导式琢行器，分剥由，5 结帮e 一 结作为输入部分， 从而可以实现奇、偶模的激励。c s t e o h 和d a v i s 则以n m ( n o r m a l m o d e ) 理论来 说明磁化微带和槽线f c l 结构中存在的两种模式：右圆檄化( r h c p ) 模和左圆极 化( l h c p ) 模之间的相互作用来得到f c l 的传输特性，并运用有限元法来得到备 模式秘电磁场分布及传播常数等参数柬确定f c l 的最佳工作祭俘，并割作及测试 了遴端西匏强繁f c l 环行嚣。铮对这静辫彳孛存在舞天损耗大秘茂邃，c k 。鞠u e c k 擗分析了损耗的形成原因，并说明带线缡构的器件可以做成很宽的频带，并掇融 了种新颖的双向磁化带线f c l 结构【1 】。 l 。1 2 有源环行器的研究动态 簪羚对有源环行臻懿瑟究开始褥魄鞍晕，在1 9 6 5 霉罄l 羧已经开始超步，发溪 到现在已经在几千赫兹到8 0 g h z 的多个频段上有成品出蕊。 1 9 9 0 年，s h i n j ih a m ，t s u n e ot o d u m i t s u 和，m a s a y o s h ia i k a w a 9 1 等人掇出的 电子科技大学硕士学位论文 m m i c 环行器，在0 1 到1 0 g h z 的频率范围内，1 到2 端口和2 到3 端口的插入损 耗分别为6 d b 和7 d b ，除端口1 和3 的隔离度为1 6 d b 外，其余的隔离度都大于 3 2 d b 。就目前所知，这是第一次在m m i c 电路上实现微波频率范围内宽带上的输 入信号和输出信号的分离。1 9 9 7 年，o a s m i 等人对这种电路进行了改进【1 ，提高 了端口1 到端口2 和端口2 到端口3 之间的增益。 1 9 9 5 年，d ，k o t h e r 1 1 】提出的w i l k i n s o n 准环行器在1 8 g h z 时有4 0 0 m h z 的带 宽，隔离度在1 5 d b 左右，插入损耗几乎可以达到0 d b k o t h e r 还提出另外一种双 支节电路，工作在8 0 g h z 时回波损耗大于1 5 d b ，1 到2 端口的插损约为2 d b ，隔 离度为2 9 d b 。 1 9 9 6 年，m b e r g ，t h a c k b a r t h 1 2 等人还设计并加工出了一种工作在e 波段的有 源共面环形器，尺寸为1 7 5 1 9m m 4 。这种环形器使用了i n a l a s i n g a a s i n p h f e t s 器件。在整个频段内，发射端和天线端的隔离度约为2 5 d b ，发射端和接收 端的隔离度大于3 0 d b 。这一指标要比g a a s 所能达到的最好指标还要好。 1 9 9 7 年，m j c r y m l 和p s h a l l ” 所提出的有源环行器天线中所使用的环行器 在3 7 4 5 g h z 处发射机和接收机的隔离度最大可以达到2 6 9 d b ，发射和接收增益分 别可以达到1 4 和7 4 d b i 。 目前国内对有源环形器的研究还比较少，就所得到的资料而言，只有南京电 子器件研究所在这方面进行了一些研究。岑元飞，林金庭，陈克金【1 4 】等人提出了 一种源耦合反馈单片有源环器，其电路采用实测f e t 的s 参数进行微波c a d 优 化设计，内部包含有3 个3 0 0 ，t m 栅宽的f e t ，芯片面积1 7 n m l x1 9 m m 。采用g a a s 的离子注入平面工艺，芯片电路具有良好的均匀性、一致性。在3 5 4 5 g h z 内， 电路插入损耗约为7 5 d b ，隔离度为2 1 2 6 d b ，驻波比基本小于2 。 目前对环形器的研究都把重点放在带宽和散射参数上，并没有公开发表的结 果涉及到一个有源器件可以同时从发射机到天线传输大功率信号，而从天线到接 收机之问传输小功率信号。只有p k a t z i n 15 1 做过这方面的尝试，他设计出两种不同 的环形器，一种的噪声系数大于8 5 d b ，插入损耗2 d b ，另一种可以输出功率1 w ， 但是接收通道的噪声系数有1 2 d b 。 有源环形器由于其在体积和重量方面的优势，以及与m m i c 技术的兼容性， 使得它在通信系统的收发组件和雷达系统中有着非常重要的应用。随着m m i c 技 术的发展，电路制作工艺的进步，元器件性能的提高，环形器在通信和雷达系统 d 引言 中也必将有着越来越重黉的造位。 1 2有激环行器的研究意义 传统环行器通常利用铁氧体材料的特性构成，因而需要外加工作磁场，其体 积和重量往往比较大，给使用带来不便，8 0 年代以后，微波单片榘成电路( m m i c ) 技术的迅逮发展，也对开发有源环行器提出了要求。表1 - 1 对铁氧钵与有源环行嚣 作个简单麴院较f 这是在2 i 2 6 g h z 频率范围交设计出盼有源环行器与铁氧体器件 的比较) 。 表1 1 铁氧钵环行器与霄源m m i c 环雩亍器的比铰 a c t i v em m i ca p p r o a c h f e r r i t e ( p a s s i v e ) a p p r o a c h s u r f a c eo c c u p i e d4 m m 2 1 0 0 m 肌2 n o i s ef i g u r e 5 d b l e 国i n 手2 3 d b m ic o m p r e s s i o n l i n s e r t i o nl o s s g a i n+ 3 d b 使用功分器功率合成器类型 在这耱邀臻彩式中，使震了功分器、功率合艘器或鬻藕合嚣，良及佟攀两曦 离用的放大器。不同的组合可以产生标准环行器域准环行器( 见图2 5 ) 。所谓准 琢行器鄂楚豢信号只能从蠛口1 婚羧至g 旗强2 ，扶蠛积2 传竣到蠛嚣3 ，趣不戆放 端口3 传输到端口i ，各端口不能任意交抉。与屠在收发双工中的标准环行器相比， 港嚣行嚣在攘狡爨失爨商爱封售号豹潦嚣下仍然可以缀妻孑豹实现发射瓿与接故嘏 的隔离。 3 豳2 - 5 环行器与凇环行器瓣差舅 属于功分器功攀合成器这季中类型的包括有几砷电路结构：双支节环行嚣、 w i l k i n s o n 准环行瓣旧和h a r a 提渤的功分，功率合成准环行器。 2 一 备川 3 鸯州 擞渡环孳亍器豹摆关基本骧溪 下面蓠先介绍双支节准环行器，这种准环行器是使用四个完全相同的晶体管 在电路结构上的对称排列来实现的，如图2 - 6 所示。从端口1 输入的信号被分为两 路，并在这掰路中被放大，因此，被放大的一部分输入信号流向端口2 。由于信号 所走过的两条传输通道在相位上耜差1 8 0 凄，骄以在端墨3 处掰路信号籀祗潜。 另外，天线接收的信号从端口2 流向端口3 ，由于在电路结构中存在的h e m t 管 使得端口2 和端口3 的信号不能反向流向端口l 。这秭结构要求电路完全对称，所 镬爱懿霹支t t e m t 警也必绥完全鞠瓣，这是难以缳证魏。 d d gl。b n 啊 i = d d i - - - - - - 一 ii 句0 t 2 i gb 州 s | 由己 上 2 陟皂萨 发射放大器 接收放大器 舀2 - 7w i l k i n s o n 准环蜇器爨理图 在此电路中，发射信号由第一个放大器放大，通过w i l k i n s o n 耦合器后只能向 天线端口佟输。从天线端1 ：3 输入的信号，由于通向发射端的传输通道被放大器隔 离，只链肉羧浚臻传羧，麓时被接教放大器放大。这静电路爨大戆蕊势裁在子发 射端的放大器可以设计为大功率用，而接收端的放大器则可以从低噪声的缃度来 l 。州l i ；话 1 搿墅了 | 晤而受：型 p 砸璃堰堰妻圃p q 蛩删乏，咂k幽 如脚0 。口乏2 这种电路由一个有源同相功分器和个有源反楣合成器构成，功分器包括个共 源豹m e s f e t t l 。与s h i n j i 赝提氆鹣电路嚣i 理穰瓣，献爨墨1 透入静痿譬大韶分 流入2 ，在端口3 处由于两路信号幅度相同，相位相反而互捅抵消的。只楚与匿 j 4 ， 微波环行器的相关基本原理 2 - 8 中所示电路相比较有两个显著优点：一是可以传输不同功率大小的信号( 小功 率，中功率和大功率) ，只需要将t 1 管换成所要求功率大小的管子即可；二是接 收路径的噪声系数与发射端同相功分器的噪声无关。这就使得所设计的环行器用 在收发共用天线时既可以传输发射的大功率信号，又可以接收从天线端来的小信 号。 ( 3 ) 通过元件环的非互易性型 最典型的一种非互易性元件环型环行器是利用微波晶体管的非互易特性得到 的，这一形式可以被用在微波和毫米波频段。这种环形器功能的实现是通过图2 1 0 所示的一个d e l t a 结，图中的二端口t h r u 元件使得这个d e l t a 结提供了具有最小 插入损耗的非互易相移。这种t h r u 元件工作的最理想特性是在所要求的环形方 向上产生无损耗的1 2 0 0 相移，在反环形方向上产生无损耗的6 0 0 相移。如果t h r u 元件能达到这种理想特性，那么输入信号就可以在耦合端口因相位相同而相互迭 加，在隔离端口因相位相反而互相抵消。于是这一如图所示的d e l t a 结形成的三端 口网络就是一个工作在理想状态的环行器了，它的插入损耗为零，隔离度和回波 损耗都无限大拉”。 2 图2 1 0t h r u 元件d e l t a 连接型环行器 图2 - 11t h r u 元件的构成 图2 - 1 l 所示的t h r u 元件具有的无耗非互易移相功能是利用微波金属半导体 场效应管m e s f e t 来实现的。在这种电路中，传输线传输了信号大部分的能量， 而与它并联的m e s f e t 则放大其中的一部分信号，并向输出端提供适合要求的相 移。 这种通过非互易元件环所实现的环形器电路形式非常易于集成为m m i c 电 路，并且可以工作在比较高的频率，但是频带一般比较窄。 根据t h r u 元件的不同可以发展出不同形式的非互易环型环行器。图2 1 2 所 示是用三个增益模块构成的环行器 1 那原理图，这里的原理图仍然是采用三个增益 块环形连接，信号可以从发射端传向天线，从天线传输向接收端，从发射端到接 15 电子科技大学硕士学位论文 收端，这种电路中有两条从发射机到接收机的传输通道，一条经过天线，另一条 是直接到达，因此必须对两条传输通道的电长度进行调节使得到达接收机处的信 号相位相反而相互抵消，同时也必须对放大器的增益和传输线的长宽进行优化以 期能同时匹配和隔离。发射信号的功率被增益块g ，放大并通过一段5 0 q 传输线 耦合到天线上，从天线接收到的功率也被同样的这条传输线耦合到环行器上，并 经过增益块g 。，放大后到达接收机，此时从天线进来的信号由于g ，。反向隔离作用 不会向发射机传输。 d c 发射机 天线 接收机 图2 1 2 增益模块构成的非互易环型环行器 增益块g 。需要进行良好的设置，使接收端口直接从发射端接收到的信号功 率最小。 2 3 高电子迁移率晶体管 场效应晶体管( f e t ) 是一种电流受电场控制的半导体器件【22 j 【2 ，由于其电 流只由一种载流子携带，因而，f e t 是一种单极器件。相对于双极晶体管，f e t ( 特别是) h e m t ) 有许多优点，除了电流增益外还有电压增益，并能以更高的效 率和较低的噪声系数工作在更高的频段上。高电子迁移率晶体管( h i g he l e c t r o n i c m o b i l i t yt r a n s i s t o r s ，缩写为h e m t ) 是由肖特基结砷化镓场效应管( g a a sm e s f e t ) 发展而来的，属于异质m e s f e t 。h e m t 自1 9 8 0 年研制成功后，短短几年内在微 波性能方面就已赶上乃至超过了m e s f e t ，并在许多领域中逐步取代了g a a s m e s f e t 。因为在本文所采用的方案中，h e m t 管起着非常重要的作用，所以接下 来本节要对h e m t 晶体管的基本原理和相关参数作一个简单的介绍。 高电子迁移率晶体管是一种新型场效应晶体管，利用了在n a 1 g a a s g a a s 异 质结界面处存在的高载流子迁移率的二维电子气。图2 1 3 表示了这种异质结的平 1 6 ， 微波环行器的相关基本原理 衡能带图，宽禁带的a 1 g a a s 用硅进行掺杂，而窄禁带的g a a s 未掺杂。 m 1 g 一净者 】“ 5 s g d 图2 * 1 3 异质结平衡能带图 图2 1 4h e m t 的基本结构 由图2 - 1 3 可见，n 型a 1 g a a s 一例杂质离化产生的自由电子转移进入到g a a s 一侧的狭窄的势阱中，在z 方向受阻挡，只在与z 垂直的x ，y 方向是自由的，因 而形成二维电子气f 简称为2 d e g ) 。由于这部分电子在空间上已脱离了原来施主杂 质离子的束缚，在运动过程中所受杂质散射的作用大大减弱，因此载流子迁移率 大为提高：尤在低温下因所受晶格散射作用也大大减弱，因此迁移率更明显增大。 将以上原理应用到场效应管结构，通过栅偏压控n - 维电子气的浓度，即可 控制漏源电流，使场效应器件的工作频率突破了原来g a a sm e s f e t 的极限频率的 限制。 图2 1 4 表示高电子迁移率晶体管的基本结构。图中最上部的n + g a a s 层为提 供一个良好的源极和漏极接触电阻，最下部为半绝缘的g a a s 衬底。在n 型a 1 g a a s 和非掺杂的g a a s 之间加了一层非掺杂的a 1 g a a s ，其作用是使二维电子气中的电 子在空间上与原来附属的施主杂质进一步脱离，从而使迁移率进一步提高，但该 夹层使二维电子气浓度下降，因此其厚度选择要恰当。由于这几层的厚度很薄， 掺杂浓度相差又很大，控制精度要求高，因此不能采用通常的工艺，而要用分子 束外延工艺来完成。 由上述结构可知，二维电子气在外加漏极电压圪，作用下，由源极向漏极运动， 形成漏极电流气。而外加栅压圪，形成的肖特基势垒区中载流子耗尽，会影响到由 n a 1 g a a s 一侧进入g a a s 一侧，而形成的二维电子气浓度，因此通过控制。就控 制了。可见h e m t 的结构及工作原理和m e s f e t 既有类似，又有不同。常规 1 7 电子科技大学硕士学位论文 f e t 是通过襁极的鸯姆簇势垒来控制沟道的宽度，从而控箭漏辍电流；丽h e m t 的工作原理却是通过栅极的肖特基势垒控制a 1 g a a s g a a s 异艨结中二维电子气浓 度，从而摭劁漏极电流。 壶于豁上工作原理，h e m t 又可称为二维毫予气场效应菇体管( 2 d e g f e t 或 t e g f e t ) ，也有称之为调制掺杂场效应晶体管( m d f e t ) 。图2 - 1 5 表示h e m t 的 两种工作模式。 鹜2 一1 5 国) 为耗尽黧，当n - a i g a a s 落较霉时，零赣压羹壹海特基势垒不是以影 响二维电予气浓度：当外加负栅压时，二维电子气浓度逐渐降低，相应，。逐渐减 小；当负栅压大到一定程度时匕接近截止。图2 。1 5 ( b ) 为增加型，当n - a 1 g a a s 层 较薄对，零镶透下嚣特蕊势垒己是以影嚼二维毫予气浓度荠馒之接近为零，骥疆s 截止：只有当外加正栅聪时，才使i d s 逐渐增加。 目前，h e m t 有三种重要类型，蕻剖面结构比较如图2 1 6 所示。它们分别为 ( 匐零援型h e m t ，) 溪爨型h e m t 以及( c ) 嗣i n p 俸巍衬底静h e m t 也穆为鑫穆 匹配型h e l 图2 。1 5h e m t 管的传输特性 罐 1 g a 5 i n g a f i s g 吐sb x f f f e r i s i g ；o , ss 曲s t r n t e 嚣2 1 6 三种h e m t 割霹缭鞫 i 较 一1 8 壤 i 瞒艇o i r d o a sb u f f e r i n ps d b s t r a t 墨磊 步厂二 詹一廛一 微波巧行嚣躲相关基本缀淫 p h e m t 是h e m t 兰种重要类黧中的一种，全称是赝晶型商电子迁移率晶体 管( p s e u d o m o r p h i ch e m r ，简写为p h e m t ) 。其剖面图如上图2 * 1 6 ( b ) 所示，它是在 o a a s 季寸底上彤藏i n o a a s a 1 g a a s 异质结，采熙a i g m 4 s 作为魄子供给层，利用 i n g a a s 黪酗穑常数不舔，其鑫捂处予应变状态，掰就称为蘸燕缀i i e m t 。阉时也 就使得p h e m t 相对于常舰h e m t 有着以下优点： l 、出于增加了i n g a a s 层，从丽使器件具有稳定的低温特性； 2 、盈落降低了与产生复台噪声有关的势辩，获两降低了1 j 噪声； 3 、在i n g a a s 层中的电子迁移率比常规h e m t 高，有利于提高工作频率； 4 、改落了载流子懿缀铡获态，从；嚣能簿低输出邀导，有裂予提高增盏。 目前，h e m t 尤其楚p h e m t 发展速度很快。p h e m t 被公认为是微波、毫米 波器件和电路领域中最有竞争力的三端器件之一，不仅具有比m e s f e t 更好的低 噪声性能，薅且具有更铙异的功率性戆。 2 4 微带电路 在上戳鳃5 e 年伐初以葚蓍，酝有鹣微波设鍪几乎零是罴弼鑫属渡导窝曩莲囊线电 路。随着微波电路和系统的小型、轻量、高可靠憔化，需要有灏的导行系统，而 且应为平丽型结构，以使微波电路和系统能集成化。这样在2 0 世纪5 0 年代初出 现了第一代微波印剥传输线带状线，螽来在6 0 年代出现了第二代微波印测传 输线徽带线，随蜃又糖继出现了缝线、稽线、共西波导帮热嚣带袄线等平嚣 微波集成传输线。微带线是混合微波集成电路( h m i c ) 和单片微波集成电路 ( m m m i c ) 使用最多的种平面型传输线。它可用光刻程序制作，且容易与其他 无添微波彀麓帮套源徽波器俘集或，实现微波懿传窝系绞魏祭戏 芝。徽荣线戆爨 良性能使戴成为最重要的传输介质之一，并且可以用来构成蕊配网络阻及微波器 件。 徽豢线国分庚基冀和其上宽度w 、厚褒t 鲍导钵萤及另一央戆接圭氇覆枣毒成， 如下图所示： 。1 9 电子辩技大学硕士学位论文 徽带绫懿基片耱秘主要有建瓷( 氧伲镊) ，裰提缝凄不圈，分毫零鼗在9 - 1 0 之间，损耗角正切在i 0 一1 0 ；复合介质片，主要有聚四氟乙烯，t e l f l o n 等，另 z 02 慌。赢 其中岛和e 。是传竣线弱分瑶毫爨移分布电容。h a m m e r s t a d 褥型以下徽露线特 性阻抗计箨鬟兽l n 偿+ 0 2 5 堡1” “l w h 铲竽牛字( 2 + 胃2 一t ( t 一瑚哪t 。 1 2 0 硝 。 1 。 = ；2 = ” g o w h + 1 3 9 3 十o 6 6 7 l n ( w h + 1 4 4 j ( 2 2 9 ) 铲等! 十字( t 手1 2 - 参) - 1 2 v h t 微带线电路的设计通常是给定z 。和g ，要计辣导体带宽度w 。此时可以利用上 f8 s 2 鲁= e 2 a - - 2 2 b - 1 - l n ( 2 b - 1 , + i + 7 i ；n ( b - 1 ) + 0 3 9 - 半, 1 1 沼3 0 ) 百21 。 - 2 0 微波环行嚣的相关基本暇毽 4 ：鱼，f 三墨十型3 + 塑1 式中 6 0v 2 8 r + 1 l 8 rj ( 2 ，3 1 ) b ：迎 2 2 8 我们用上面的公式可以得到微带线的特性阻抗和有效介电常数与w h 的关 系。当然也可以通过查蔽以及利用一魑软件( 例如a d s 中的l i n e c a l c 工具等) 来 雩荨虱不羁余穗零鼗、不瓣咧& 下翡徽豢线将牲阻撼，穗反也可以由薅往疆茨来综 合出微带线的w h 等参数。 损耗怒传输线的熏臻参量之一，大的线损往往是不允许的，微带线的损耗较 波导、弱辍线要大豹多，掰以在擒成皴带元 孛对，擐耗总是必须予以重视。徽喾 线的损耗主疆出三部分缀成：导体损耗，介质损耗和辐射损耗。其中前面两者是 主要部分，辐射损耗相对很小。 兹蕊对徽蒂线豹分誊厅郡是基于凇t e m 摸条件下送行的。当频率较低时，送静 假设是符合实际浆。然丽实验证露，当工作频率离子5 g h z 对，分质徽带翁鹣特性 阻抗和相遗的计算结果与实际相差较多。这表明：当频率较高时，微带线中幽t e 和t m 模缎成的高次模使特性阻抗和相速随着频率的变化而变化，即具有色数特 经。事实一乏，频率爿一窝露，耀速要酶鬣，囊s 。盛矮大，露稽痤斡姆注隧藏z 8 蕴藏 小。为此，一般用修正公式来计算介质微带线传输特性。下面给出这组公式的适 用范围：2 g ，1 6 ，o 0 6 兰w h 1 6 以及，i o o g h z 。有效介电常数s 。( ，) 可用 以下公式诗箕： “伽l 丽c - c 十厄l ( 2 _ 3 2 ) 热f = 竿p 1 + 2 t n ( 1 + 矧， 一2 1 电子科技大学硕士学位论文 第三章有源环行器优化仿真 在第二章里我们介绍了实现有源环行器的几种电路形式，在这一章里将要提 出本文的基本设计方案，并结合微波c a d 工具( a d s ) 进行微波有源环行器的设 计，得到模型和仿真结果并进行加工和实验研究。为了对有源环行器的工作原理 和本文所选的实现方案有更深入的了解，以便于其后的电路设计和实验，有必要 在进行电路设计之前，先对本文方案进行一些理论方面的研究。 3 1 本文方案 本文将采用的方案属于2 2 节中所提出有源环行器的第二种类型，即功分器 功率合成器类型，使用功分器、功率合成器或者耦合器以及作单向隔离用的放大 器，通过设计其他连接电路来达到环行器的功能，见图( 3 1 ) 。 3 图3 1 本文方案结构示意图 这种电路由一个有源同相功分器和一个有源反相合成器构成，功分器包括一 个共源的场效应管t 1 。此电路有两个比较显著的优点：一是可以传输不同功率大 小的信号( 小功率，中功率和大功率) ；二是接收通道的噪声系数与发射端同相功 分器的噪声无关。 从端口1 进入的信号通过功分器后变成两路同相等幅的信号，为了保证在端 口3 处两路信号幅度相同，相位相反而互相抵消，需要并联电阻z 。用以平衡端口 2 带来的影响。所以从端口1 进入的信号只能从端口2 输出，而在端口3 处由于两 路信号幅度相同相位相反而抵消，即( s 。= 0 ) 。由于功分器是有源元件实现的， 所以从端口1 到2 信号有一个增益g ，又由于功分器的单向性，所以实现了 有源环行器优化仿真 s ：。= g ，s ，= 0 。另外一方面，由于两个9 0 0 支节的作用，从端1 ：32 输入的信号通 过上下两条通道到达合成器输入端时反相，这两路信号可以由反相有源合成器合 成，并且岛：= g 2 。由于合成器的单向特性，s ：，= 0 ；同理，端口1 和3 均由非互 易器件( 功分器和合成器) 连接，所以s ，= 0 。 相比图2 - 9 中由g a s m i 所提出的电路，本文在实际设计中进行了一定的改进： 首先是t 型结部分，图2 - 9 中从t l 管出来的信号通过t 型结后，输出的上下两臂 相位和特性阻抗都是完全对称的，也即信号进入t 型后是等功率输出。而在环行 器中我们要求从端口1 中输入的信号能大部分通过端口2 输出，提高发射通道的 增益，所以本文设计t 型结为不等功率输出，让信号尽可能大的功率从端口2 输 出；再者是t 2 管处，将栅级和源级的接入位置进行了交换，这是由于从端口2 输 入的信号大部分通过t 2 管栅级进入，从漏极输出能得到较大的增益，这一措施即 提高了从端口2 到端口3 的增益。当然为了保证从端口1 到端口3 的隔离，在进 行以上两处改进后，需要重新设计t 2 管栅极和源极的输入匹配网络和并联电阻乙 的数值。具体的仿真优化过程将在第四章进行详细的论述。 随着新型器件的不断发展，器件的制造技术由传统的“掺杂工程”转向“能 带工程”后，出现了多种新型微波三极管，其中最具有代表性和最具有实用性的 两种分别为高电子迁移率晶体管( h e m t ) 年i 异质结双极晶体管( h b t ) 。h e m t 管具 有高的截止频率和效率，特别是低噪声h e m t 具有优良的噪声特性。为了减小接 收通道的噪声，需要t 2 管噪声低，同时为了电路能承受较大功率，也需要t 2 管 有一定的功率容量，所以本文选用了其中的一种新型微波三极管高电子迁移 率晶体管来作电路中单向传输和功率合成之用。其工作频率为4 5 0 m h z 1 0 g h z ， 符合设计要求。 a t f 3 3 1 4 3 管的典型参数如下： 极限参数 最大漏源电压： + 5 5 v最大漏电流：3 0 5 m a 最小栅源电压：一5 v最大总功耗：6 0 0 m w 最小栅漏电压： 5 v 最大射频输入功率：2 0 d b m 其他参数( 测试条件：v d s = 4 v ，i d s = 8 0 m a ，f = 2 g h z ) 2 3 电子科技大学硕士学位论文 l d b 压缩点b ：2 1 d b m v d s = 1 5 v ，i d s = 1 0 i d s s ，夹断电压：0 5 v ( m a x = 一0 3 5 v ，r a i n = 一0 6 5 v ) 噪声系数n f ：0 5 d b 增益g 。：1 5 d b 3 2 有源环行器的噪声分析 对于用在收发系统中的环行器来说，接收通道的噪声具有非常重要的意义， 其噪声的好坏直接影响着接收机的灵敏度和整机的噪声性能。所以有必要在进行 环行器的电路设计之前，先对环行器的噪声性能进行分析【1 0 1 【2 5 1 。 在建立噪声模型之前，先假设t 2 管无噪声，并且用其跨导g 。来代替t 2 管的 影响。同样，图3 - 1 中的二端口网络n 1 部分( 包括t 2 管，匹配网络和端口电阻) 都用一个噪声电流源和等效输出电阻z 1 来代表，电路中还有其他两个电阻，即标 准温度兀( 2 9 0 k ) 下端口2 的负载电阻z 。和在室温( 3 0 0 k ) 下的并联电阻z 。 这三个电阻设分别产生噪声电流源i ，f 。i 。则可建立噪声模型如下图所示： z n 3 2 等效噪声模型 在理想状态下，上下两条通道完全对称，则有： 仁羔z ) ( 3 - 1 ) 。一丽v “1 “ “1 由上式可知i 。与噪声源i ，无关，这一结果即说明了发射通道中t 1 管对环行器 的噪声性能没有影响。若是在发射机需要发射较大功率时，就可把t l 管换成符合 功率要求的管子，而不会影响环行器的噪声；而对环行器三端口网络的噪声分析 2 4 一一一 查塑望：笪墨垡些堕塞 也可简化为一二端口网络的噪声分析。同时，可以看到为了电路的平衡而引入的 与端口2 负载电阻值相同的并联电阻z 。，直接影响着环行器的噪声。但是并联电 阻z c 的阻值不能改变；若想改善环行器噪声，只能通过