射频通信电路分析绪论

1、1射频通信电路射频通信电路杜正伟杜正伟东主楼11区216房间电话: 62784107E-mail: 2 绪 论 前期课：微波技术， 电子线路内 容：微波电路理论，应用技术， 半导体知识，通信系统概念3本课的相关课程与技术本课的相关课程与技术相关课程：相关课程： 电磁场 - 基础课 电场磁场分布，电波传播 微波技术-无源电路 分布参数、传输线、微波网络、 滤波器、匹配、 阻抗变换 射频电路-有源电路 放大、振荡、变频、滤波、收发信机有源电路定义： 中国习惯指含半导体器件的各种电路 英文书刊: active circuit 仅指有高频能量增长的电路有高频能量增长的电路 如:放大器、振荡器 pass

2、ive circuit 指无能量增长的电路无能量增长的电路 如: 混频器、检波器、开关、限幅器信息工业领域：信息工业领域： 信息采集 - 信息传输信息传输 - 信息处理4一、一、 微波频段划分与应用领域微波频段划分与应用领域0.51248 12.4 184011030000.1频率波段1波段2PLSCXKuKKaVWVHFUHF厘米波( S H F)毫米波( E H F)GHz应用率26.550 75300亚毫米波0.03-0.30.3-33-3030-300300-3000 微波频段：微波频段：300MHz-300GHz(1m-1mm)；1-1000GHz(30cm-0.3mm) 应用：应用

3、：RF集中在18GHz以下；mm波段正在开发；300GHz以上有源器件困难，处于探索阶段；进入光波，波长1m量级(3105GHz)-光通信领域5微波频段的主要应用领域微波频段的主要应用领域1. 卫星通信与卫星电视广播卫星通信与卫星电视广播 DBS-Direct Broadcast System C波段 4/6GHz, 下行 4 GHz, 上行 6 GHz Ku波段 12/15GHz，下行 12GHz，上行 15GHz 星间通信 36GHz （低轨铱星 16GHz 19GHz） 微波有线电视 MMDS-Multichannel microwave Distribution Service 2.4

4、GHz 2. 微波中继通信微波中继通信(与光缆、卫星三足鼎立与光缆、卫星三足鼎立) 干线微波 2.1GHz, 8GHz, 11GHz 支线微波 6GHz, 8GHz, 11GHz, 36GHz 农村多址(一点多址) 1.5GHz, 2.4GHz, 2.6GHz6微波频段的主要应用领域（续）3. 移动通信与个人通信移动通信与个人通信 蜂窝通信: 模拟，数字GSM，码分多址(CDMA) 0.4GHz, 0.9GHz, 1.8GHz, 2.4GHz, 5.8GHz 寻呼 0.13GHz, 0.15GHz, 0.28GHz, 0.41GHz 家电控制 2.45GHz , Bluetooth4. 雷达、

5、气象、测距、定位雷达、气象、测距、定位 雷达 远程警戒 P, L, S, C 精确制导 X, Ka 气象 1.7 GHz, 0.1375GHz 汽车防撞、自动记费 36 GHz, 60GHz 防盗 9.4 GHz 全球定位GPS-Global Positioning System 1.57542 GHz C/A, 1.2276 GHz P7微波频段的主要应用领域 （续）5. 射电天文射电天文 36GHz, 94GHz, 125GHz6. 计算机无线网计算机无线网 2.5 GHz, 5.8 GHz, 36GHz, LMDS Multichannel microwave Distribution

6、Service27GHz (28-38GHz) 超高速计算机，超高速数字电路超高速计算机，超高速数字电路7. 遥感、遥控遥感、遥控 工业控制、军事制导、探矿、森林防火、水灾监控、 农业资源8. 其他其他 治疗癌症、杀虫、农业育种、生物 8微波频段的电波传播特性微波频段的电波传播特性 电波传播大气窗口 36GHz(8mm), 94GHz(3.2mm) 电波传播衰减峰 22GHz(15mm), 60GHz(5mm)0.010.1110100大气衰减 d B / km频率/ G HzH2OO2O2H2O10223660941201831402203009第一章 微波晶体管放大电路 第二章 微波混频器

7、第三章 微波振荡器(书第四章) 第四章 微波控制电路(书第五章)1. 通信链路 信息传输基本结构二、课内技术范围二、课内技术范围控制电路滤波器低噪声放大器混频器解调器调制器中频放大器放大器上变频器功率放大器滤波器振荡器振荡器下行上行10本课程内容：本课程内容：几种微波管：几种微波管：三极管(晶体管)、二极管几种电路：几种电路：放大器、混频器、振荡器、控制电路外外 加：加：外围电路(包括匹配电路)112. 有源器件 (1) 有源器件种类 * 半导体 小功率 * 真空器件 大功率 (2) 根据原材料和性能划分 GaAs FET HEMT Si BJT MEMS AlGaAs HBT HEMT PH

8、EMT InP HBT Si-Ge HBT 12三、电路结构形式三、电路结构形式rETE波rETEM、准T E M波EHrTEM、准T E M波Er0TEM、准T E M波Microstrip 微带Slot- line 槽线Suspended 悬置微带线 Coplanar Waveguide (CPW)共面波导13电路结构形式电路结构形式(1) Microstrip 微带线 MIC MMIC 基片 金属薄膜 电流分布 趋肤效应 特性阻抗(2) Waveguide 波导 鳍状线(3) Lumped 集中(总)参数 适于13GHz 片式元件 自动焊 SMT 微组装(4) 微波单片(Monolith

9、ic)集成 MMIC(5) 3DMIC 三维集成 MCM 第四代微波电路EHr14四、发展趋势四、发展趋势(1) MIC (2) MMIC(3) MCM (4) SoC(5) 微组装 (6) 新器件单片集成是最终方向单片集成是最终方向五、设计技术五、设计技术计算机辅助设计：三次上机实验课15六、课程要求六、课程要求星期一下午交上周作业并取回上周所交作业顾洪明、庞云波：东主楼11区222房间电话: 62781443平时作业占课程总成绩的平时作业占课程总成绩的202016参参 考考 书书1. 言华, 微波固态电路微波固态电路, 北京理工大学出版社, 1995 (教材教材)2. 高葆新等, 微波集成

10、电路(中国集成电路大全14分册)，国防出版社, 19953. 赵国湘, 高葆新, 微波有源电路, 国防工业出版社，19904. Inder Bahl, Prakash Bhartia, Microwave Solid State Circuit Design, A Wilcy-Interscience Publication, 19885. 顾其诤等, 微波集成电路设计, 人民邮电出版社, 1978 6. 清华大学编写组, 微带电路, 人民邮电出版社, 19767. 高葆新等, 微波电路计算机辅助设计(上下), 清华大学出版社, 1986，19888.李润旗, 李国定, 高葆新, 微波电路软件

11、应用技术, 国防工业出版社, 199617RF Circuit Design Theory and Applications：2002Radio-Frequency and Microwave Communication Circuits：2001The RF and Microwave Handbook：200118 第一章第一章 微波晶体管放大电路微波晶体管放大电路1.1 微波晶体管种类与特性1.2 BJT硅双极型微波晶体管1.3 微波场效应晶体管1.4 异质结微波晶体管HEMT, PHEMT, HBT, SiGe HBT 1.5 小信号微波晶体管放大器1.6 放大器噪声参数1.7 微波晶

12、体管放大器设计1.8 微波功率放大器191.1微波晶体管种类与特性微波晶体管种类与特性 BJT - Bipolar Junction Transistor 放大器、振荡器放大器、振荡器 双极型晶体管，Si, 0.1-3GHz，易匹配、价格低 MESFET - Metal Semiconductor Field Effect Transistor 振荡器、功放振荡器、功放 金属半导体场效应晶体管, GaAs, 2-12GHz HEMT - High Electron Mobility Transistor LNA 高电子迁移率晶体管, GaAs, AlGaAs, 2-40GHz PHEMT -

13、Pseudo HEMT LNA 假沟道高电子迁移率晶体管, GaAs, AlGaAs, 2-40GHz HBT - Hetero Junction Bipolar Transistor 低相噪振荡器、功放低相噪振荡器、功放 异质结双极型晶体, GaAs, AlGaAs, 2-20GHz * SiGe HBT- SiGe Hetero Junction Bipolar Transistor 硅-锗异质结双极型晶体管, Si, Ge, 0.1-20GHz，成本低* DGFET - Double Gate GaAs FET 可控放大器、混频器可控放大器、混频器 双栅场效应晶体管，GaAs , 2-2

14、0GHz20微波晶体管用途微波晶体管用途 低噪声放大器(LNA)、功率放大器 振荡器 混频器、上变频器 开关、衰减器211.2 BJT硅双极型微波晶体管硅双极型微波晶体管BBBEEPN+结PN结N+N+P+P 型 基 区N 型 外 延 层 集 电 极 CSi N+ 衬底P+P+BCEbceIbIc特征频率功率增益最高振荡频率噪声系数222. 单向化功率增益28fcrfGcbT3. 最高振荡频率 f max=f |G=1fT 1020GHzcbTcrff8max1. 特征频率 fT 510GHzffT0ceVbcIIecTTf12载流子由e向c有渡越时间ec。 f 升高, 载流子尚未到c时，输入

15、电压已变化，使下降。1时频率，1ffTbceIbIcBECIbCcrbIbZinZLpFZoutZinf=fT时， =1。但Zin低，Zout高，故仍然有功率增益。只要G1就可能产生振荡。234. 噪声系数NF 噪声来源：(1) 热噪声：主要由基极电阻rb 引起(2) 散粒噪声：主要是发射极、集电极电流的散粒噪声以及分配噪声(发射极电流分成Ic 和 Ib的随机起伏)组成(3) 闪烁噪声又称 1/f 噪声：主要由载流子复合引起fkTrebnb24fqIiene 22fqIicnc 22)(22fFfqIicnBECIbCcrbIbZinZLpF24NFff 1(100200Hz)f 2(23GH

16、z)Fmin1/f 噪声3dB/倍频程6dB/倍频程热、散粒噪声散粒噪声( 分配)211 (1minhhF2)( 04. 0TbcffrIh 最小噪声系数(福井公式)转角频率：f1：低噪声管在100Hz以下f2：f2(0.20.3)fT23GHz， f2以6dB/倍频程上升室温290K时噪声系数噪声系数噪声功率仅由信号源产生的输出总输出噪声功率NF251.3 微波场效应晶体管微波场效应晶体管Vgs-1V半绝缘G a A s衬 底耗尽层沟道( 外延 层）0.2mmVds+3VSourceGateDrainIdsm2.0*基片: 0.10.3mm*外延层: 0.10.5m*栅极: 肖特基势垒*源极

17、: 欧姆接触*漏极: 欧姆接触电压控制特性短栅 FET的短沟道效应FET的管芯等效电路FET噪声 GDS26一、电压控制特性一、电压控制特性Vgs控制Ids夹断电压Vp (穿通电压)Vds VpIdVdsVgs=0Vgs= -1.5Vgs= -1Vgs= -0.5Vgs-1V半绝缘G a A s衬 底耗尽层沟道( 外延 层）0.2mmVds+3VSourceGateDrainIdsm2.027下能谷1=50008000上能谷2=100200EbEthE(V/cm)VbV(cm/s)V=E(cm/s)GateSourceDrain沟道EthEVVthV0二、短栅二、短栅 FET的短沟道效应的短沟

18、道效应 1. GaAs的电子迁移率1.43 eV0.36 eV价带主谷子谷k100000E(k)2. 短栅效应1) 栅长在1m左右即出现短沟道效应2) FET的工作频率一般在20GHz以下28RgsCdgCgsRsCdsDSGRdsRgRdCdcIds=gmvgiRgCgsRgsCdgCdcGdsCdsRdRsGDSVgiIds=gmvgi三、三、FET的管芯等效电路的管芯等效电路Cgs-栅源结电容Cdg-栅漏部分耗尽层结电容(Cgs + Cdg)-栅极与沟道间耗尽层 总电容Cdc-沟道中电荷偶极层的电容， 称为畴电容，在常被省略,Rgs、Rds-沟道电阻Cds-源极与漏极间的衬底电容Rs、R

19、g、Rd-源极、栅极和漏极 的分布参数电阻，包括体电 阻引出端的欧姆接触电阻gm-小信号跨导，与工作频率有关29几个基本参数：几个基本参数：* 跨导跨导 gm=Ids /Vgi= 当漏电压Vds一定时，栅压Vgs对漏电流Ids的控制能力。sgsgdsTRRRRff2max实际封装管的上述值要下降总体上看，总体上看， fT 和和Cgs(栅长栅长)成反比成反比sgsgdsgsmRRRRCgfG22241忽略Cdg、Cdc，单向功率增益单向功率增益常数dsVgsdsdVdI* 输出端短路共源电路电流放大系数电流放大系数 = hfe 忽略Rgs、Cdg、Cdc时，hfe=Id /Ig gm /(jCg

20、s)* 特征频率特征频率 fT 忽略Cdg、Cdc 时，f T gm /(2Cgs)* 最高振荡频率最高振荡频率 fmax30四、四、FET噪声噪声噪声来源：噪声来源：1. 热噪声热噪声 沟道噪声沟道噪声:GSDRgsCdsCdgCgsgmvgiGds2ndi2ngi2. 高场扩散和谷际散射高场扩散和谷际散射3. 闪烁噪声闪烁噪声PgfkTimnd024 栅源之间的感应栅极噪声栅源之间的感应栅极噪声:RgCfkTimgsng02224沟道噪声通过栅电容(Cgs、Cdg)耦合在栅极上的感应噪声。频率上升，感应噪声加大。P与直流偏压、器件内部结构有关R与直流偏压、器件几何尺寸有关由于高场电子速度饱

21、和效应和下能谷向上能谷跃迁的随机性产生的噪声由于GaAs晶格的陷阱效应，它的1/f噪声远高于Si BJT中的1/f 噪声。31TffCPRF)1 (212min最小噪声系数P- 因子, 与直流偏压、器件内部结构有关, 约为13R- 因子, 与直流偏压、器件几何尺寸有关C- 和 相关系数, C122*ngndngndiiiijC 2ndi2ngindingi32NFffB1fB2fF2fF13dB/倍频程BJTFET3dB/倍频程6dB/倍频程 BJT和和 FET的噪声特性的噪声特性 f B1-0.1 kHz f B2-2 GHz f F1-0.1 GHz f F2-20 GHz331.4 异质结微波晶体管异质结微波晶体管HEMT, PHEMT, HBT,GeSi-HBT1. n-AlGaAs/GaAs 异质结2. 2DEG，没有杂质散射，迁移率高3. 沟道不掺杂，电场均匀，减弱短栅效应4. 隔离层使电子与施主隔开，提高迁移率5. 凹槽栅，可以做短栅. . . . . . . . . . . . . .SGDn-AlGaAs (250A) GaAs (150A)0.2mm 半绝缘GaAs衬底n n+ + G Ga aA As s沟道异质结隔离层(30A)2 2D DE EG Gn n+ + G Ga aA As s( (1 10 00 0A