射频(rf)器件基础知识培训

1、射频器件基础知识2022-2-3射频器件基础知识2目录 射频电路基本概念 阻抗 噪声 S参数 非线性失真 功率 射频器件基础知识（主要功能、关键指标、内部结构、工作原理） 射频放大器 射频开关 射频衰减器 功分器、耦合器 环形器、隔离器 混频器 滤波器2022-2-3射频器件基础知识3射频电路基础阻抗 阻抗的定义 特征阻抗 端口阻抗 反射系数与驻波系数 阻抗匹配2022-2-3射频器件基础知识4阻抗的定义 射频电路中阻抗的概念有很多，对于器件有器件阻抗，对于2端口网络有输入阻抗和输出阻抗，对于传输线有特性阻抗2022-2-3射频器件基础知识5特征阻抗 特征阻抗是微波传输线的固有特性，可以理解为

2、传输线上入射电压波与入射电流波之比。 对于TEM波传输线，特征阻抗又等于单位长度分布电抗与导纳之比。无耗传输线的特征阻抗为实数，有耗传输线的特征阻抗为复数。2022-2-3射频器件基础知识62022-2-3射频器件基础知识7端口阻抗 我们分析阻抗和阻抗匹配问题的目的就在于使电路中任意一个参考平面向源端和向负载端的阻抗相等，从而使信号完全通过该参考面，不发生反射。如果对于某参考面2端阻抗不等则会产生反射现象形成驻波。见下图：在参考面A处 情况1：阻抗连续，没有反射，传输线上各点电压相等，形成行波 情况2：阻抗跳变，发生反射，形成驻波 情况3：短路或开路发生全反射AZlZo2022-2-3射频器件

3、基础知识8反射系数与驻波系数 反射系数： 定义为反射信号电压电平与入射信号电压电平之比 驻波系数： 定义为射频信号包络的最大值与射频信号包络的最小值之比AZlZoZlZoZlZoVSWR112022-2-3射频器件基础知识9阻抗匹配2022-2-3射频器件基础知识10射频电路基础噪声 什么是噪声？ 噪声与干扰 噪声因子与噪声系数2022-2-3射频器件基础知识11什么是噪声？ 信号中所有的无用成分都称为噪声干扰 任何射频电子系统都是在噪声与干扰环境下工作的，射频电子系统的任务之一是与噪声及干扰作斗争，尽可能减小系统本身产生的噪声，尽可能在传递信号、处理信号的过程中使信噪比的恶化降到最小，这是设

4、计射频电子系统首要考虑的问题。2022-2-3射频器件基础知识12噪声与干扰 噪声可分为自然的和人为的噪声 自然噪声有热噪声、散粒噪声和闪烁噪声等 人为噪声有交流噪声、感应噪声和接触不良噪声等 干扰一般来自于外部，也分为自然的和人为的干扰 自然干扰有天电干扰、宇宙干扰和大地干扰等 人为干扰主要有工业干扰和无线电台干扰2022-2-3射频器件基础知识13噪声因子与噪声系数 噪声系数决定了接收灵敏度的好坏，是用来衡量射频部件对小信号的处理能力 噪声因子与噪声系数 噪声因子用Nf（或F）表示，定义为： 即输入信噪比与输出信噪比的比值，表示信噪比恶化的情况 噪声系数用NF表示，定义为： 噪声的级联公式

5、：outoutininNSNSNf NfdBNFlog10G1、NF1G2、NF2Gn、NFnNF总NF1NF21G1.NFn1G1G2.Gn12022-2-3射频器件基础知识14射频电路基础S参数 射频网络： S参数 2端口网络的S参数2022-2-3射频器件基础知识15射频网络 射频设计中所指的网络为具有固定输入和输出关系的一段电路，网络有N个输入输出接口就叫N端口网络2022-2-3射频器件基础知识16S参数 对N网络进行分析需要常用网络参数。如Z参数，A参数，Y参数，S参数等 S参数的物理意义最明显，因此分析中使用最广泛 S参的物理意义在于从某个端口输入一定的功率后在其他端口引起的输出

6、，实部表示功率电平，虚部表示相位2022-2-3射频器件基础知识172端口网络的S参数 S11为放大器的输入反射系数 S21为放大器的增益 S22为放大器的输出反射系数 S12为放大器的反向隔离度2022-2-3射频器件基础知识18射频电路基础非线性失真 什么是线性失真？ 什么是非线性失真？ 非线性失真的主要指标2022-2-3射频器件基础知识19线性与非线性 线性失真：信号波形的等比例的放大、缩小、相位移动等变化 非线性失真：信号波形的不等比例的放大、缩小、相位移动等变化2022-2-3射频器件基础知识20非线性失真的主要指标 非线性失真的主要指标 IMD3 IP3 P1dB2022-2-3

7、射频器件基础知识21非线性失真的主要指标IMD3 三阶交调（IMD3） 三阶交调（双音三阶交调）是用来衡量非线性的一个重要指标三阶交调五阶交调IMD3三阶交调常用dBc表示，即交调产物与主输出信号的比2022-2-3射频器件基础知识22非线性失真的主要指标IP3、P1dBIP3任一微波单元电路，输入信号增加1dB，输出三阶交调产物将增加3dB，这样输入信号电平增加到一定值时，输出三阶交调产物与主输出信号相等，这一点称为三阶截止点PndBndB压缩点用来衡量电路输出功率的能力当输入信号较小时，其输出与输入可以保证线性关系，随着输入信号电平的增加，输入电平增加1dB，输出将增加不到1dB，增益开始

8、压缩，增益压缩ndB时的输入信号电平称为输入ndB压缩点2022-2-3射频器件基础知识23射频电路基础功率 射频信号的功率常用dBm、dBW表示，它与mW、W的换算关系如下： 例如信号功率为x W，利用dBm表示时其大小为： 例如：1W等于30dBm，等于0dBW。p dBm() 10 logx 100012022-2-3射频器件基础知识24目录 射频电路基本概念 阻抗 噪声 S参数 功率 线性与非线性 射频器件基础知识（主要功能、关键指标、内部结构、工作原理） 射频放大器 射频开关 射频衰减器 功分器、耦合器 环形器、隔离器 混频器 滤波器（声表、介质） VCO、频综2022-2-3射频器

9、件基础知识25射频放大器 低噪声放大器 主要功能、关键指标、分类 内部结构 工作原理 射频小信号放大器 主要功能、关键指标、分类 内部结构 工作原理 射频大功率放大器 主要功能、关键指标、分类 内部结构 工作原理2022-2-3射频器件基础知识26低噪声放大器功能、指标 功能： 在尽量小的恶化系统噪声系数的前提下，对信号进行放大 主要指标： 噪声系数 增益 分类 分离器件 与 MMIC MESFET 与 HEMT/pHEMT2022-2-3射频器件基础知识27低噪声放大器内部结构 以ATF-54143为例2022-2-3射频器件基础知识28低噪声放大器工作原理 MESFET工作原理： 表面沟道

10、型器件 源S、漏D、栅G：载流子经沟道自S到D；G电位控制着沟道宽度 源-漏间距LSD、栅长LG与沟道内电子漂移速度v决定器件频率特性；WG 决定器件RF电流增益、功率2022-2-3射频器件基础知识29低噪声放大器工作原理 HEMT/pHEMT工作原理： 与MESFET基本相同的器件结构 2DEG沟道层 栅电容控制2DEG电流的强弱 源-漏间距LSD、栅长LG与沟道内电子漂移速度v决定器件频率特性；WG决定器件RF电流增益、功率HEMT原理原理PHEMT层结构层结构2DEG层层2D2022-2-3射频器件基础知识30射频小信号放大器功能、指标 功能： 信号的线性放大 主要指标： 增益 P1d

11、B OIP3 噪声系数 分类 Si、SiGe、GaAs 与 InGaP HBT 与 MESFET2022-2-3射频器件基础知识31射频小信号放大器内部结构 以SGA-6486为例2022-2-3射频器件基础知识32射频小信号放大器工作原理SubcollectorField OxideChannelStopBEBCMetal 2Metal1P-Substrate 20 cmC deep Base - SiGe replaces SiliconSubcollector Only Difference2022-2-3射频器件基础知识33射频小信号放大器工作原理 SGA-6486内部电路结构2022

12、-2-3射频器件基础知识34射频大功率放大器功能、指标 功能： 大功率信号的线性放大、输出 主要指标： 增益 P1dB OIP3 Pout 分类 分离、单片集成、混合集成 Si、GaAs、SiC LDMOS、VDMOS、BJT2022-2-3射频器件基础知识35射频大功率放大器(LDMOS) 内部结构2022-2-3射频器件基础知识36 LDMOS平面结构的扫描电镜照片(MRF9080)：射频大功率放大器(LDMOS) 内部结构2022-2-3射频器件基础知识37射频大功率放大器内部结构单片集成混合集成2022-2-3射频器件基础知识38射频大功率放大器(LDMOS) 工作原理 LDMOS剖面

13、结构 LDMOS，Laterally Double-Diffused Metal Oxide Semiconductors，横向双扩散晶体管 LDMOS是为射频功率放大器设计的改进的n沟道增强型MOSFET。LDMOS FET典型剖面结构图2022-2-3射频器件基础知识39LDMOS 结构特点 横向沟道 LDMOS最大的特征是具有横向沟道结构，漏极、源极和栅极都在芯片表面 双扩散技术（Double Diffusion） LDMOS采用双扩散技术，在同一光刻窗口相继进行硼（B，形成 P- 区）、磷（P，形成 N- 区）两次扩散，由两次杂质扩散横向结深之差可以精确地决定沟道长度 L 。由于目前扩

14、散工艺很成熟，沟道长度L可以做得很小（1um以下）并且不受光刻精度的限制 无BeO隔离层 一般地，衬底直接接地，不需BeO隔离，以降低热阻，达到最好的散热效果，同时减低了封装成本。由于BeO为有毒物质，不用BeO有利于保护环境2022-2-3射频器件基础知识40LDMOS 结构特点 P+ Sinker 连接源极到衬底，消除连接源极的表层键合丝 N-LDD（Lightly Doped Drain ，轻掺杂漏极） 在沟道与漏极之间有一个低浓度的 n- 漂移区（N- LDD），LDD可以通过注入磷（P）或砷（As）离子得到。LDD的影响是两方面的：一方面，与传统的注入N+工艺相比，漏极区域的电场强度

15、（是导致热载流子的主要原因）大约降低80%，同时提高了漏极击穿电压，另一方面，N-注入也使源漏间串联电阻增加，降低了器件的跨导 Faraday Shield（法拉第屏蔽） 起屏蔽作用，可以降低栅极边缘电场，从而提高漏源击穿电压，减小生成热载流子的因素。同时，也降低了栅极（输入）和漏极（输出）间的寄生电容（Cdg） 然而，法拉弟屏蔽层也相应的增加了Cgs的值。在电路设计中，优化输入匹配网络可以抵消增加的Cgs2022-2-3射频器件基础知识41射频开关功能、指标 功能： 控制信号、选择通道 主要指标： 插入损耗 隔离度 分类 GaAs、Si Pin管、MESFET、PHEMT、SOI MOSFE

16、T 单刀单掷开关、单刀双掷开关、单刀四掷开关、双刀双掷开关等2022-2-3射频器件基础知识42射频开关内部结构 以AS123为例：2022-2-3射频器件基础知识43射频开关工作原理 并联型：插损小、隔离差 串联型：隔离好、驻波差2022-2-3射频器件基础知识44射频开关工作原理 “” 型：各项指标较平均 “T ” 型：隔离度高2022-2-3射频器件基础知识45射频开关工作原理 浮地应用 优点：正压控制 缺点：引入浮地电容2022-2-3射频器件基础知识46射频衰减器功能、指标 功能 调整增益、控制输出功率 主要指标 衰减量 插入损耗 分类 PIN管、MESFET 压控衰减器、数控衰减器

17、2022-2-3射频器件基础知识47射频衰减器内部结构压控衰减器AT110数控衰减器AT65（内部带有CMOS驱动芯片）2022-2-3射频器件基础知识48射频衰减器工作原理 压控衰减器原理 电压控制MESFET导通程度2022-2-3射频器件基础知识49射频衰减器工作原理 数控衰减器原理 MESFET作为控制元件 PI型或T型电阻衰减网络作为衰减元件2022-2-3射频器件基础知识50射频衰减器工作原理 数控衰减器原理C2R6R23R18C3Q3R4Q7R16Q1R15R3R19C1R21/VC2R8Q8Q4Q10R2Q5/VC1R9R12R10VC2R20RF1Q9R1R7VC1Q2/VC

18、3R13Q6VC3R5R17R11RF2/VC4R22R142022-2-3射频器件基础知识51功分器、耦合器功能、指标 功能 功率的分配、耦合 主要指标 工作频率范围 插入损耗 隔离度 分类 功分器： 电阻、电容 威尔金森 磁芯材料 GaAs IC 耦合器： 带状线复合材料 GaAs IC LTCC2022-2-3射频器件基础知识52功分器内部结构 威尔金森功分器 磁芯材料功分器0z0z0z0z0zR1230z0z2022-2-3射频器件基础知识53功分器内部结构 GaAs IC功分器 以PD09为例：2022-2-3射频器件基础知识54耦合器内部结构 带状线复合材料 GaAs IC2022

19、-2-3射频器件基础知识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p o rt 1p o rt 2in/sump o rt 32022-2-3射频器件基础知识56环形器、隔离器功能、指标 功能 控制信号单向传送，在大信号场合用于改善电路匹配，驻波检测等应用 主要指标 工作频率范围 插入损耗 反向隔离度 功率容量 分类 上磁结构 上下磁结构 侧磁结构2022-2-3射频器件基础知识57环形器、隔离器内部结构 环形器的三种结构：2022-2-3射频器件基础知识58环形器、隔离器工作原理 环形器与隔离器的区别 3端口接匹配负载的环形器，称为隔离器2022-2-3射频器件基础知识59环

20、形器、隔离器工作原理 环行器结构与原理 法拉第旋转效应、铁磁共振效应2022-2-3射频器件基础知识60环形器、隔离器工作原理2022-2-3射频器件基础知识61混频器功能、指标 功能 利用混频二极管的非线性特性实现频率的搬移 主要指标 变频损耗（无源） 或变频增益（有源） 噪声系数 IIP3 工作频率范围 隔离度 镜频抑制度 分类 无源二极管混频器 有源吉尔伯特混频器 MESFET混频器2022-2-3射频器件基础知识62无源二极管混频器内部结构 由二极管管堆、传输变压器BALUN、陶瓷或者FR-4基板制作的混频器是业界主流结构形式。二极管管堆的频率范围可以做的很宽，传输变压器形式的BALU

21、N也具有宽频程的优点2022-2-3射频器件基础知识63吉尔伯特混频器内部结构 Gilbert 于1967年发明，吉尔伯特混频器采用纯IC制作工艺，MOSFET与BJT是两种主要的结构单元。材料一般选用Si、SiGe、GaAs，后者制造的器件噪声系数与频率特性优良2022-2-3射频器件基础知识64无源MESFET混频器内部结构 管芯多采用了MESFET平衡式管堆结构， 其余与二极管混频器基本类似2022-2-3射频器件基础知识65有源MESFET混频器内部结构 MMIC MESFET 混频器*Q1Q2R2R1R3T1C6C5C4C2C1C7C3L1RFLOIF2022-2-3射频器件基础知识66混频器工作原理射频信号与本振信号通过混频器的相乘作用后，在中频口产生诸多新的频率分量。其中中频分量是其中之一混频器的本振信号为高功率输入，用于控制二极管或者场效应管的开通与截止2022-2-3射频器件基础知识67混频器工作原理 上图分别为中频端口的时域与频域图形。2022-2-3射频器件基础知识68滤波器（声表、介质） 功能、指标 功能 抑制通道中不需要的频率成分，保证各个信号通道的相互独立 主要指标 中心频率 带宽 带外抑制度 分类 高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器 LC滤波器 声表滤波器 介质滤波器 连体式 分立式2022-2-3射频器件基础知识69声表滤波器内部结