微波集成电路第三章讲义14526

1、第三章 微波混合集成电路目录3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 微带集成电路中的不连续性微带集成电路中的不连续性3.33.3耦合微带线定向耦合器耦合微带线定向耦合器3.43.4微带线三端口功率分配器微带线三端口功率分配器3.53.5微带线混合集成晶体管放大器微带线混合集成晶体管放大器3.63.6微带集成电路结构相关问题微带集成电路结构相关问题3.1概述体积大、笨重，无法满足机体积大、笨重，无法满足机载、星载等要求载、星载等要求平面集成平面集成电路电路有源和有源和无源器无源器件件AWS-1 was Decca Radars first S-band(2.7 to 3.1 GHz) sea-g

2、oing radar.信号源采用磁信号源采用磁控管，传输线控管，传输线采用波导立体采用波导立体电路电路. .3.1概述有源器件方面：有源器件方面：3.1概述3.1概述1950s,1950s,平面传输线概念平面传输线概念被提出；被提出；1960s, 1960s, 带状线、微带线问题解决，带状线、微带线问题解决，微波微波集成电路（集成电路（MICMIC）开始发展）开始发展; ;1970s,1970s,氧化铝基片和薄膜工艺发展，使氧化铝基片和薄膜工艺发展，使得得MICMIC进入高速发展期进入高速发展期；1980s, 1980s, MICMIC基本成熟基本成熟。集成电路技术方面：集成电路技术方面：微波

3、电路元件微波电路元件集中参数元件集中参数元件 与频率无关的参数，例：与频率无关的参数，例： L L、C C、R R。由于元件尺。由于元件尺寸远小于工作波长，可近似认为传播过程中不存寸远小于工作波长，可近似认为传播过程中不存在相位变化。在相位变化。分布参数元件分布参数元件 元件尺寸与工作波长可比拟（元件尺寸与工作波长可比拟（/10/10）时，采用）时，采用分布参数传输线，如同轴线、微带线等。分布参数传输线，如同轴线、微带线等。3.1概述1 inch=25.4mm的导线可以产生的电感为的导线可以产生的电感为10nH，在，在1GHz时的阻时的阻抗为抗为63欧姆。欧姆。3.1概述混合集成电路应用混合集

4、成电路应用: :3.1概述毫米波毫米波T/RT/R组件组件低噪放低噪放混混频频器器倍倍频频器器 本章将从工程设计角度出发，主要介绍本章将从工程设计角度出发，主要介绍如下内容：如下内容： 1 1微带电路设计的相关问题。微带电路设计的相关问题。 2 2基本微带元件。基本微带元件。 3 3部分重要的固态电路。部分重要的固态电路。3.1概述3.2微带带集成电电路中的不连续连续性3.2.1 3.2.1 概述概述当微带电路产生不连续性时，将带来如下影响：当微带电路产生不连续性时，将带来如下影响：第一，第一，不连续性区域将发生能量的存储不连续性区域将发生能量的存储；第二，第二，产生反射波产生反射波；第三，场

5、通过连续性区域后重新沿均匀线传输第三，场通过连续性区域后重新沿均匀线传输时，与进入不连续性区域之前有所不同，时，与进入不连续性区域之前有所不同，时延时延效应将产生相位上的变化效应将产生相位上的变化，而不连续处存在的，而不连续处存在的损耗将产生信号幅度上的变化损耗将产生信号幅度上的变化。3.2微带带集成电电路中的不连续连续性微带线不连续性等效电路分析方法：微带线不连续性等效电路分析方法： 假设微带线上传输的假设微带线上传输的TEMTEM模，且不连续区域远小模，且不连续区域远小于工作波长，分析方法可以分为三个步骤：于工作波长，分析方法可以分为三个步骤：场结构分析，场结构分析，确定是容性还确定是容性

6、还是感性是感性确定合适的确定合适的电路模型电路模型用数学或实验用数学或实验方法确定元件方法确定元件值值3.2微带带集成电电路中的不连续连续性下变频器下变频器LNALNA衰 减 器Amp数 字衰 减 器10MHz外 参 考 源AMPHMC-ALH364G ： 21dBOIP3: 17dBmNF: 1.9dBHMC329L： 9.5dBIIP3: 19dBmLO-IF: 35dB 低 通滤 波 器L=1.5dB微 带 带 通滤 波 器L=2.5dB电 阻 型衰 减 器AMPHMC463G ： 14dBP1: 19dBmHMC659G ： 19dBOP1: 26dBmHMC425L： 3dBTTL控

7、 制HMC397G ： 15dBP1: 15dBm微带集成电路中不连续性微带集成电路中不连续性类型：类型：微带开路端微带开路端/ /端节线；端节线；微带线的阶梯跳变；微带线的阶梯跳变；微带间隙；微带间隙；微带线的拐角；微带线的拐角；微带线微带线T T接头；接头；微带线十字接头微带线十字接头; ;3.2.2微带线带线的开开路端/截断断端 /4/4开路线开路线; ;微带到波导探针微带到波导探针过渡过渡; ;微带线微带线匹配枝节匹配枝节; ;3.2.2微带线带线的开开路端/截断断端开路线缩开路线缩短效应，短效应，长度为长度为 l; l;边缘电荷积聚（边缘电荷积聚（C C）；）；过剩电荷相关的电流流动

8、（过剩电荷相关的电流流动（L L）；）；能量辐射（能量辐射（R R）；）；介质板内外的表面波（厚基板）。介质板内外的表面波（厚基板）。3.2.2微带线带线的开开路端/截断断端3.2.3微带线带线的阶阶梯跳变变 两条不同特性阻抗微带线的连接点，低特性阻两条不同特性阻抗微带线的连接点，低特性阻抗线的电流密度变小，导致面电荷密度也较少。抗线的电流密度变小，导致面电荷密度也较少。微带宽度跳变区域电流示意图和等效电路微带宽度跳变区域电流示意图和等效电路3.2.3微带线带线的阶阶梯跳变变E E面面: :与电场矢量平行的平面与电场矢量平行的平面H H面面: :与磁场矢量平行的平面与磁场矢量平行的平面对偶波导

9、模拟法对偶波导模拟法3.2.3微带线带线的阶阶梯跳变变3.2.3微带线带线的阶阶梯跳变变3.2.4微带间带间隙微带间隙及其等效电路微带间隙及其等效电路两条微带通过一个串联电容；两条微带通过一个串联电容；两条微带的截断端与导体衬底之间等效于各并联一个电容两条微带的截断端与导体衬底之间等效于各并联一个电容 由于这个由于这个 型网络是对称的，所以可以采用下列两个型网络是对称的，所以可以采用下列两个条件进行求解：条件进行求解：一、两条微带线对称馈电，使两个截断端之间没有电一、两条微带线对称馈电，使两个截断端之间没有电压，即压，即C12C12等于短路等于短路3.2.4微带间带间隙eC 求偶模电容求偶模电

10、容CeCe二、两条微带反对称馈电，这时候，二、两条微带反对称馈电，这时候，C12C12等于两等于两个串联，中心点等效为接地。个串联，中心点等效为接地。3.2.4微带间带间隙求奇模电容求奇模电容CoCo112eCC121124oeCCC3.2.5微带线带线拐角 在拐角地区如同有一个在拐角地区如同有一个并联电容并联电容，路径的，路径的加长如同是两段短传输线或是加长如同是两段短传输线或是两个电感两个电感。直角拐角电流示意图和等效电路 微带匹配拐角（微带匹配拐角（a a）5050欧姆；（欧姆；（b b）任意宽度）任意宽度3.2.5微带线带线拐角 直接的直角拐角会产生较大反射。为了减小反射，把拐角直接的

11、直角拐角会产生较大反射。为了减小反射，把拐角的外部切成的外部切成 斜角，斜角，利用两次反射的相互抵销达到匹配利用两次反射的相互抵销达到匹配。斜。斜角边长是使两次反射角边长是使两次反射 “ “抵消抵消”的关键。的关键。3.2.5微带线带线拐角3.2.5微带线带线拐角3.2.6微带线带线T接头头 微带微带T T 型接头在微带电路中应用广泛，如分支型接头在微带电路中应用广泛，如分支线电桥等。线电桥等。微带微带T T接头等效电路接头等效电路3.2.7微带线带线十字接头头 微带线十字接头的设计资料不多，主要是实验微带线十字接头的设计资料不多，主要是实验的方法来确定其性能。的方法来确定其性能。微带线十字接

12、头及其等效电路微带线十字接头及其等效电路3.2.8微带线实现带线实现集总总元件1.串联电联电感和并联电并联电容 l一段无耗一段无耗短短传输线传输线cZ若若Zc大，则大，则L大，大， C小可忽略小可忽略,等效为等效为串联电感串联电感；若若Zc小，则小，则C大，大， L小可忽略小可忽略,可等效为可等效为并联电容并联电容. 当介质基片厚度一定时，微带宽度当介质基片厚度一定时，微带宽度W ，则则Zc ；CpcvlZL22 pcvlYC L / 2等效等效L / 2一段一段窄窄的短微带线可等效为的短微带线可等效为串联电感串联电感；一段一段宽宽的短微带线可等效为的短微带线可等效为并联电容并联电容。T T型

13、集总元件电路型集总元件电路（a a）间隙电容）间隙电容 （b b）交指电容（）交指电容（c c）中心导体上的迭层电容）中心导体上的迭层电容 2. 2. 微带电容元件微带电容元件3.2.8微带线实现带线实现集总总元件电容值较小电容值较小电容值较大电容值较大电容值最大电容值最大3. LC3. LC串联谐振电路串联谐振电路3.2.8微带线实现带线实现集总总元件 在传输线上并联一个或多个支节，这些支节等效于串联在传输线上并联一个或多个支节，这些支节等效于串联或并联谐振回路。或并联谐振回路。LCCL3.2.8微带线实现带线实现集总总元件如果是一个串联谐振和一个接地的并联谐振相互级联，其响应又如何？3.2

14、.8微带线实现带线实现集总总元件 (a) (a) 右手传输线的色散曲线右手传输线的色散曲线 (b) (b) 左手传输线的色散曲线左手传输线的色散曲线 (c) (c) 复合传输线的色散曲线复合传输线的色散曲线 3.2.8微带线实现带线实现集总总元件K rrn rrn 3.2.8微带线实现带线实现集总总元件负折射率的实现负折射率的实现 左手材料（或者说电磁超介质材料）左手材料（或者说电磁超介质材料）- -负折射率负折射率DPSENGMNGDNG3.2.8微带线实现带线实现集总总元件 2000 2000年年 Smith Smith将细铜导线和开口金属谐振环（将细铜导线和开口金属谐振环（SRRSRR）

15、搭配在）搭配在一起，分别产生一起，分别产生等效负介电常数等效负介电常数和和等效负磁导率等效负磁导率，第一次在微，第一次在微波频段实现了负折射率波频段实现了负折射率 。3.2.8微带线实现带线实现集总总元件3.2.8 微带线实现带线实现集总总元件3.2.8 微带线实现带线实现集总总元件3.2.8 微带线实现带线实现集总总元件-6-4-20246-6-4-20246平面谐振式复合传输线平面谐振式复合传输线 1）F. Martin和和J. Bonache将将SRR结构应结构应用到平面用到平面电电路中，路中，在共面波在共面波导导的背面加入了的背面加入了SRR 2 2）F. FalconeF. Falc

16、one等人首次提出了等人首次提出了CSRRCSRR结构结构 。 3.2.8 微带线实现带线实现集总总元件3.2.8 微带线实现带线实现集总总元件 (c (c） （d d） (a)(a)负介电常数传输线单元；负介电常数传输线单元；(b)(b)负介电常数和负磁导率传输线单元负介电常数和负磁导率传输线单元(c)(c)与与(a)(a)相对应的等效电路；相对应的等效电路；(d)(d)与与(b)(b)相对应的等效电路相对应的等效电路（b）（a）3.2.8微带线实现带线实现集总总元件 实现复合左右手传输线的三种主要途径。实现复合左右手传输线的三种主要途径。(a)(a)集总元件法；（集总元件法；（b b）交指

17、电容法；（交指电容法；（c c）蘑菇云结构法。）蘑菇云结构法。(2004年前后被Tatsuo Itoh和G. V. Eleftheriades教授) (a) (b)(c) 在低频阶段，它呈现出左手材料结构特性，相速度和群速在低频阶段，它呈现出左手材料结构特性，相速度和群速度的传播方向相反度的传播方向相反,并且具有相位提前的传输特性；而在高频阶并且具有相位提前的传输特性；而在高频阶段，它又呈现出右手材料特性，相速度和群速度的传播方向相段，它又呈现出右手材料特性，相速度和群速度的传播方向相同。同。3.2.8微带线实现带线实现集总总元件8.69 mm 18.9 mm3.3 耦合微带线带线定向耦合器

18、3.3 .1 3.3 .1 耦合微带线耦合微带线距离较近的微带线之间都有能量耦合距离较近的微带线之间都有能量耦合。耦合微带线的结构耦合微带线的结构微带线之间的电耦合和磁耦合微带线之间的电耦合和磁耦合当对任意一个口加以激励时，通过长度为当对任意一个口加以激励时，通过长度为l的线间耦合，的线间耦合，如何求得主线和辅线（不加信号源的线）的各个引出口的响应如何求得主线和辅线（不加信号源的线）的各个引出口的响应？3.3 .1 耦合微带线带线 耦合微带线的分析方法耦合微带线的分析方法耦合微带线中奇、偶模的场结构耦合微带线中奇、偶模的场结构1 1、2 2两口输入一对相互对称的两口输入一对相互对称的信号，如两

19、个相同的电压信号，如两个相同的电压U U1 1、2 2两口输入一对相互反对称两口输入一对相互反对称的信号，如两个幅度相等、的信号，如两个幅度相等、相位相反的电压相位相反的电压U U与与-U-U四口网络的问题就四口网络的问题就可以作二口网络来可以作二口网络来分析分析3.3 .1 耦合微带线带线 当然，奇偶模激励只是一种特殊情况，在一般情况当然，奇偶模激励只是一种特殊情况，在一般情况下并不是奇偶模激励。但是在口下并不是奇偶模激励。但是在口1 1、2 2上，任意一对上，任意一对输入电输入电U U1 1，U U2 2，总可以分解成一对奇偶模分量，并，总可以分解成一对奇偶模分量，并使使U U1 1等于两

20、分量之和，等于两分量之和， U2 U2等于两分量之差。等于两分量之差。3.3 .1 耦合微带线带线1eoUUU2eoUUU故而得到：故而得到：1212eUUU1212oUUU必须注意的是：必须注意的是： （1 1）奇偶模激励时，由于边界不同，场结构不同，）奇偶模激励时，由于边界不同，场结构不同，耦合线上的状况及其参量是不相同的，必须先分解耦合线上的状况及其参量是不相同的，必须先分解成奇偶模各自求解，最后将结果进行叠加后才是耦成奇偶模各自求解，最后将结果进行叠加后才是耦合线的解。合线的解。 （2 2）对解对称四口网络的问题，利用线性网络叠加）对解对称四口网络的问题，利用线性网络叠加原理，都可以采

21、用奇偶模分析法加以简化分析。原理，都可以采用奇偶模分析法加以简化分析。3.3 .1 耦合微带线带线3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器 1. 1. 平行耦合微带线定向耦合器平行耦合微带线定向耦合器主线主线副线副线锯齿形定向耦合器提高定向性锯齿形定向耦合器提高定向性锯齿形定向耦合器实例锯齿形定向耦合器实例3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器均匀介质填充的耦合微带线定向耦合器分析均匀介质填充的耦合微带线定向耦合器分析3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器微带平行耦合线定向耦合器微带平行耦合线定向耦合器微带平行耦合线定向耦合微带平行耦合线定向耦合器等效电路器等效电路由端口由端口输入的信号一部分传至端口

22、输入的信号一部分传至端口，一部分耦合至副，一部分耦合至副线由端口线由端口输出，端口输出，端口无输出。无输出。 设设口接电压源口接电压源1V1V，口均接口均接匹配负载匹配负载Z Z0 0，于，于是，除是，除口外，其余三口仅存在出射波口外，其余三口仅存在出射波b2,b3,b4, 1b2,b3,b4, 1口口的反射波为的反射波为b1,b1,于是各端口电压于是各端口电压: :3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器由于耦合微带线在由于耦合微带线在结构上具有对称性结构上具有对称性，因而可采用，因而可采用奇奇、偶模概念和叠加原理、偶模概念和叠加原理，把定向耦合器分解为二个四端，把定向耦合器分解为二个四端网络来

23、分析。网络来分析。把偶模和奇模工作状态的电压、电流叠加把偶模和奇模工作状态的电压、电流叠加起来，即得各路总电压和总电流起来，即得各路总电压和总电流。3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器奇偶模激励电压为：奇偶模激励电压为：111022eU 111 022oU 偶模激励时：偶模激励时：1212aa102403112212eeeeeeVVVV其中，其中， oeoe和和T Toeoe为偶模激励时的电压反射系数和传输系数为偶模激励时的电压反射系数和传输系数 奇模激励时奇模激励时：3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器1212aa 102403112212ooooooVVVV 其中，其中， oooo和和T

24、Toooo为偶模激励时的电压反射系数和传输系数为偶模激励时的电压反射系数和传输系数利用线性叠加原理，各端口的电压为：利用线性叠加原理，各端口的电压为：1110012220023330034440041112121212eoeoeoeoeoeoeoeoVVVbVVVbVVVbVVVb 0eopp00000000sin2cossin22cossinCoCooCoCooCoCoZZjZZZZjZZZZjZZ0000111000000002120000sinsin11222cossin2cossinsin11222cossCeCoCeCoeoCeCoCeCoCeCeeoCeCeZZZZjjZZZZsb

25、ZZZZjjZZZZZZjZZsbZZjZZ00003130000004140000sinin2cossin11122cossin2cossin1122cosCoCoCoCoeoCeCoCeCoeoCeCeZZjZZZZjZZsbZZZZjjZZZZsbZZjZZ001sin2cossinCoCoZZjZZ3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器 为使平行耦合线构成完全匹配的反向定向耦合器，为使平行耦合线构成完全匹配的反向定向耦合器，必须有必须有3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器11310ss00000000eoeoZZZZZZZZ111Va00222000sinsin2cossin1cossi

26、neoeoj ZZjkVbZj ZZkj330Vb20442000212cossin1cossineoZkVbZj ZZkj耦合微带线定向耦耦合微带线定向耦合器完全匹配和完合器完全匹配和完全隔离条件全隔离条件0000eoeoZZkZZ均匀介质填充均匀介质填充电压耦合系数电压耦合系数任意频率上的耦合系数为任意频率上的耦合系数为3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器22121sin1cossinVjksVkj传输系数传输系数 24412111cossinVksVkj(1)(1)主线主线1-41-4与耦合线与耦合线2-32-3能量传输方向相反，故耦合微带线定能量传输方向相反，故耦合微带线定向耦合器又称

27、为反向定向耦合器向耦合器又称为反向定向耦合器; ;(2)(2)满足能量守恒满足能量守恒(3)S21(3)S21和和S41S41相位差相差相位差相差9090度，故平行耦合线定向耦合器是一全波度，故平行耦合线定向耦合器是一全波段段9090度定向耦合器。度定向耦合器。(4 (4）在中心频率上耦合最强，偏离中心频率越远，耦合越弱。）在中心频率上耦合最强，偏离中心频率越远，耦合越弱。3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器 定向耦合器的技术指标定向耦合器的技术指标（1 1）耦合度：）耦合度：3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器212212111()10lg10lg20lgPC dBPss（2 2）定向性：）

28、定向性：22212133131()10lg10lg20lgPssD dBPss（3 3）隔离度：）隔离度：213313111()10lg10lg20lgPI dBPssICD 例：设计一个耦合微带线定向耦合器，其中心频率例：设计一个耦合微带线定向耦合器，其中心频率为为750MHz750MHz，耦合为，耦合为10dB10dB。3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器计算得计算得W=2.38mm,S=0.31mm, P=57.16mm,W=2.38mm,S=0.31mm, P=57.16mm,且且5050微带线宽度微带线宽度WW5050=2.92mm=2.92mm0

29、. 60. 70. 80. 90. 51. 0-30-20-10-400f req, G H zdB(S(1, 1)R eadoutm 4dB(S(2, 1)R eadoutm 1dB(S(3, 1)R eadoutm 3dB(S(4, 1)R eadoutm 2m 1f req=dB(S(2, 1)=-0. 629750. 0M H zm 2f req=dB(S(4, 1)=-10. 147750. 0M H zm 3f req=dB(S(3, 1)=-24. 785750. 0M H zm 4f req=dB(S(1, 1)=-34. 557750. 0M H z 一般来讲，考虑加工精度的

30、影响，单个定向耦合器一般来讲，考虑加工精度的影响，单个定向耦合器的耦合度较弱，的耦合度较弱，C C一般大于一般大于6dB6dB，低于，低于6dB6dB则由于耦则由于耦合间隙太小，工艺上难以实现。合间隙太小，工艺上难以实现。 方向性较差，一般隔离度不超过方向性较差，一般隔离度不超过30dB30dB，很多时候，很多时候，由由 可知，对于弱耦合的场合，方向性一般较差（几可知，对于弱耦合的场合，方向性一般较差（几个个dBdB）。）。3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器如何实现高隔离度、强耦合定向耦合器？实际耦合微带线耦合器需考虑的问题：实际耦合微带线耦合器需考虑的问题：3.3.2 耦合微带线带线定向耦

31、合器（2 2）制造公差的影响）制造公差的影响（1 1）非均匀填充介质导致的奇偶模相速不等对定向性的影响）非均匀填充介质导致的奇偶模相速不等对定向性的影响. .22222413141111()10lg10lg10lg10lg10lgI dBsss CCeCoZq ZZ2221314141221()10lg10lg20lg20lg11sD dBssqqsqq隔离度隔离度 改善耦合微带线定向耦合器方向性的方法改善耦合微带线定向耦合器方向性的方法3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器曲折线定向耦合器曲折线定向耦合器介质加载定向耦合器介质加载定向耦合器由于把耦合区的直线边界改变成由于把耦合区的直线边界改变

32、成折线边界，使耦合区加长，两根折线边界，使耦合区加长，两根线的分布电容加大，从而使奇模线的分布电容加大，从而使奇模电容加大。电容加大。在耦合微带线的金属图案上，在耦合微带线的金属图案上，再加一块介质，它使两根微再加一块介质，它使两根微带线的分布电容加大，从而带线的分布电容加大，从而使奇模电容加大。使奇模电容加大。 改善耦合微带线定向耦合器耦合度的方法改善耦合微带线定向耦合器耦合度的方法3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器 在需要紧耦合（例如在需要紧耦合（例如3dB3dB）耦合微带线定向耦合器，采用单节，）耦合微带线定向耦合器，采用单节，则因耦合间隙太小，工艺上难以实现。为此，常采用两个较松耦则

33、因耦合间隙太小，工艺上难以实现。为此，常采用两个较松耦合的定向耦合器串接起来，以得到较紧耦合的定向耦合器。合的定向耦合器串接起来，以得到较紧耦合的定向耦合器。在串接时，首先要把每个耦合微带线定向耦合器的耦合段交叉在串接时，首先要把每个耦合微带线定向耦合器的耦合段交叉跨接，使输入端口和隔离端口在一边，两个输出端口在另一边，跨接，使输入端口和隔离端口在一边，两个输出端口在另一边，如图如图 (a) (a)所示。然后再将它们串接起来，如图所示。然后再将它们串接起来，如图b)b)所示。所示。 (a) (a)单节耦合线的跨接单节耦合线的跨接(b)(b)两个定向耦合器的串接两个定向耦合器的串接3.3.2 耦

34、合微带线带线定向耦合器LangeLange耦合器耦合器当要求紧耦合（耦合度小于当要求紧耦合（耦合度小于6dB6dB）时，可采用交指结构）时，可采用交指结构（交指数通常取（交指数通常取4 4）3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器3.3.2 耦合微带线带线定向耦合器微带分支电桥微带分支电桥3 32 21 14 44g 4g ABCD 1输入，输入，2、3输出，相位差输出，相位差90度；度； 4为隔离端口，无为隔离端口，无输出；输出； 无耗无耗T T形结功分器形结功分器3.4 微带线带线三端口

35、功率分配器无耗三端口网络的三个端口无法实现同时匹配！无耗三端口网络的三个端口无法实现同时匹配！匹配匹配条件条件3.4 微带线带线三端口功率分配器 有耗有耗T T形结功分器形结功分器匹配匹配条件条件可实现三个端口的完全匹配！可实现三个端口的完全匹配！3.4 微带线带线三端口功率分配器 有耗有耗T T形结功分器形结功分器损耗了一损耗了一半功率半功率 Wilkinson（威尔金森）功分器3.4 微带线带线三端口功率分配器三端口功分网络，可实现输出隔离和三个端口匹三端口功分网络，可实现输出隔离和三个端口匹配配 采用奇偶模分析采用奇偶模分析3.4 微带线带线三端口功率分配器 偶模激励偶模激励3.4 微带

36、线带线三端口功率分配器2 2、3 3端端口匹配口匹配3.4 微带线带线三端口功率分配器 奇模激励奇模激励2 2、3 3端端口匹配口匹配3.4 微带线带线三端口功率分配器3.4 微带线带线三端口功率分配器3dB3dB功率分配器具有：功率分配器具有：（1 1）等幅同相输出；）等幅同相输出；（2 2）输出端口具有非常好的隔离度）输出端口具有非常好的隔离度。 3dB Wilkinson3dB Wilkinson功率合成器功率合成器3.4 微带线带线三端口功率分配器/410070.750matchingnetworks/41005070.770.770.7Splittercombiner3.4 微带线带

37、线三端口功率分配器 3dB Wilkinson3dB Wilkinson功率合成功率合成/ /分配器应用分配器应用APH631,92 -96GHz,25dBmHRL-G94,500mW,9295GHz(产品) APH631,92 -96GHz,18dBm,G=23dB3.4 微带线带线三端口功率分配器 WilkinsonWilkinson不等分不等分功分器功分器3.4 微带线带线三端口功率分配器 隔离电阻隔离电阻R R计算计算3.4 微带线带线三端口功率分配器隔隔离离匹配匹配3.4 微带线带线三端口功率分配器3.4 微带线带线三端口功率分配器 WilkinsonWilkinson不等分不等分功

38、分器设计公式功分器设计公式3.4 微带线带线三端口功率分配器对于端口对于端口1 1来说，实际上相当于一个来说，实际上相当于一个1/41/4波长阻波长阻抗变换器，其相对带宽较窄。抗变换器，其相对带宽较窄。宽带宽带设计设计 例例1 1：设计一个二等分功分器设计一个二等分功分器，f=10GHz，输入输出阻抗输入输出阻抗50，画出结构示意图，并，画出结构示意图，并简要考虑对不连续性的修正。（选取介质简要考虑对不连续性的修正。（选取介质基片介电常数基片介电常数r=6.15，基片厚度，基片厚度h=0.635mm，金属图案层厚度，金属图案层厚度t=0.035mm）。）。3.4 微带线带线三端口功率分配器例例

39、2：设计一设计一X波段功率分配合成网络：波段功率分配合成网络： 工作频率：工作频率：8-12GHz 驻波比：驻波比：1.5（ 14dB） 差损：差损：1dB3.4 微带线带线三端口功率分配器（1）选择基片材料）选择基片材料(2)(2)方案选择方案选择3.4 微带线带线三端口功率分配器(3)ADS(3)ADS原理图仿真和优化原理图仿真和优化3.4 微带线带线三端口功率分配器(4)(4)三维场仿真三维场仿真3.4 微带线带线三端口功率分配器 仿真和优化仿真和优化3.4 微带线带线三端口功率分配器在8-12GHz内内的驻驻波比VSWR1.4，插插入损损耗0.68dB，符合指标标的要求。设计设计是否完

40、成？小型化宽带功分器小型化宽带功分器 经典经典WilkinsonWilkinson等分功分器有几个缺点等分功分器有几个缺点: :1. 1.在大功率应用中，要求隔离电阻具有大的耗散功率，因此相应在大功率应用中，要求隔离电阻具有大的耗散功率，因此相应隔离电阻的体积也会比较大，但是大电阻很难实现较好的热量隔离电阻的体积也会比较大，但是大电阻很难实现较好的热量传输。传输。2. 2.四分之一波长线较长，间距也比较大，所以功分器占用面积大四分之一波长线较长，间距也比较大，所以功分器占用面积大. .3.4 微带线带线三端口功率分配器改进型功分器结构图改进型功分器结构图传输线传输线B B实质起到了阻实质起到了

41、阻抗变换的作用抗变换的作用3.4 微带线带线三端口功率分配器为了实现宽带等分的为了实现宽带等分的功分器，宽带阻抗变功分器，宽带阻抗变换是关键换是关键宽带阻抗转换传输宽带阻抗转换传输线匹配节模型线匹配节模型 为从根本上杜绝反射的产生，为从根本上杜绝反射的产生，不能只依靠反射的相互抵消，而不能只依靠反射的相互抵消，而尽可能地将每一个反射分量压低，尽可能地将每一个反射分量压低，即在每一个反射点，设法将反射即在每一个反射点，设法将反射补偿掉，称为共面补偿法补偿掉，称为共面补偿法。开口环谐振环渐变阻抗变换器开口环谐振环渐变阻抗变换器3.4 微带线带线三端口功率分配器补偿和反射在传输线的同一补偿和反射在传

42、输线的同一个横截面上，距离很近，就个横截面上，距离很近，就保证了宽频带工作保证了宽频带工作3.5 微带线带线混合集成晶体管放大器 概念+-uo+u+-i放大电路u-R+SSRL信号源负载iiio 放大放大把微弱的电信号的幅度放大。把微弱的电信号的幅度放大。一个微弱的电信号通过放大器后，输出电压幅度或一个微弱的电信号通过放大器后，输出电压幅度或功率得到了放大，但它随时间变化的规律不能变，功率得到了放大，但它随时间变化的规律不能变，即即不失真不失真。3.5.1 微波晶体管放大器 常用的微波放大器常用的微波放大器放大器技术指标：1. 1. 反射系数；反射系数；2. 2. 功率增益；功率增益；3. 3

43、. 噪声系数；噪声系数；4. 4. 增益平坦度；增益平坦度；5. 5. 动态范围；动态范围；3.5.1 微波晶体管放大器 反射系数表征的是某一个参考面的信号传输与反射反射系数表征的是某一个参考面的信号传输与反射特性。特性。1. 1.放大器技术指标放大器技术指标反射系数反射系数scsscZZZZ LcLLcZZZZ incinincZZZZoutcoutoutcZZZZ 22Lab 112211111221LLbS SSaS sa端口端口1 1加激励信号源加激励信号源 , ,端口端口2 2不加激励：不加激励： 输入匹配电路输出匹配电路微波器件SP3P1P2P4a1a2b1b2Z0Z0 1 2 s

44、LZinZoutZsZL 传送到晶体管输入端的信号功率传送到晶体管输入端的信号功率 P P1 1 ; ; 信号源资用功率信号源资用功率P P1a 1a ; ; 放大器输出端口传送给负载的功率放大器输出端口传送给负载的功率P P2 2 ; ; 放大器输出口的资用功率放大器输出口的资用功率P P2a 2a ; ;2. 2.放大器技术指标放大器技术指标功率增益功率增益输入匹配电路输出匹配电路微波器件SP3P1P2P4a1a2b1b2Z0Z0 1 2 sLZinZoutZsZL 常用的微波放大器功率增益定义有实际增益、资用常用的微波放大器功率增益定义有实际增益、资用增益和转换增益。增益和转换增益。2.

45、 2.放大器技术指标放大器技术指标功率增益功率增益22212221221111LpLSPGPS 222212222122211111saaasSPGPS 2222122212211111sLtaLsSPGPS ptGGatGG， 只有当放大器的输只有当放大器的输入端口和输出端口入端口和输出端口都同时实现共轭匹都同时实现共轭匹配时，这三个功率配时，这三个功率增益才相等。增益才相等。2. 2.放大器技术指标放大器技术指标功率增益功率增益接收机系统犹如人的耳朵，噪声大接收机系统犹如人的耳朵，噪声大了，耳朵就不灵了！了，耳朵就不灵了！3. 3.放大器技术指标放大器技术指标噪声系数与噪声温度噪声系数与噪

46、声温度放大器的噪声系数放大器的噪声系数NFNF可定义如下可定义如下outoutininNSNSNF/式中，式中，NFNF为微波部件的噪声系数；为微波部件的噪声系数；S Sin in，NiNin n分别为输入分别为输入端的信号功率和噪声功率；端的信号功率和噪声功率； S Soutout，N Noutout分别为输出端的信分别为输出端的信号功率和噪声功率。号功率和噪声功率。)lg(10)(NFdBNF3. 3.放大器技术指标放大器技术指标噪声系数与噪声温度噪声系数与噪声温度噪声系数的物理含义噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，由于放是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏；信

47、噪比下降的倍数就是噪大器产生噪声，使信噪比变坏；信噪比下降的倍数就是噪声系数。通常，噪声系数用分贝数表示，此时声系数。通常，噪声系数用分贝数表示，此时噪声机理：噪声机理：在晶体管内，载流子的不规则运动引起不规则在晶体管内，载流子的不规则运动引起不规则变化的电流起伏，因而产生不规则变化的电压起伏，这种变化的电流起伏，因而产生不规则变化的电压起伏，这种不规则变化的电流和电压形成晶体管的噪声。不规则变化的电流和电压形成晶体管的噪声。3. 3.放大器技术指标放大器技术指标噪声系数与噪声温度噪声系数与噪声温度噪声源：噪声源：在在HEMTsHEMTs半导体器件中，存在的噪声源主要有半导体器件中，存在的噪声

48、源主要有热噪声、散粒噪声、感应栅噪声、闪烁噪声、产生热噪声、散粒噪声、感应栅噪声、闪烁噪声、产生- -复合复合噪声等。噪声等。闪烁噪声闪烁噪声: :是通常所说的是通常所说的1/f 1/f 噪声，其形成机理比较复杂和噪声，其形成机理比较复杂和多样化，大小与半导体材料、表面处理等诸多因素相关。多样化，大小与半导体材料、表面处理等诸多因素相关。产生产生- -复合噪声复合噪声: :是由于载流子产生复合过程中引起电流起是由于载流子产生复合过程中引起电流起伏而形成的。闪烁噪声和产生伏而形成的。闪烁噪声和产生- -复合噪声通常只影响低频复合噪声通常只影响低频噪声噪声. .3. 3.放大器技术指标放大器技术指

49、标噪声系数与噪声温度噪声系数与噪声温度热噪声、感应栅极热噪声、感应栅极噪声和散粒噪声。噪声和散粒噪声。低频噪声低频噪声高频噪声高频噪声热噪声：热噪声：是由于在导体中由于带电粒子热骚动而产生的是由于在导体中由于带电粒子热骚动而产生的随机噪声。随机噪声。FETFET的热噪声主要来源于沟道电阻、栅电阻和的热噪声主要来源于沟道电阻、栅电阻和源漏寄生电阻。热噪声表达式为：源漏寄生电阻。热噪声表达式为：3. 3.放大器技术指标放大器技术指标噪声系数与噪声温度噪声系数与噪声温度2exp() 1ThermalhfhfPfhfkT其中其中 h为普朗克常量，为普朗克常量， k为波尔兹曼常数，为波尔兹曼常数， T为

50、温度，为温度， f 为频率。为频率。通常通常hf kT，因此热噪声又可以表示为：因此热噪声又可以表示为：ThermalPkT f感应栅噪声：感应栅噪声：是由于沿沟道的噪声电压起伏通过电容耦是由于沿沟道的噪声电压起伏通过电容耦合到栅极上感应出的电荷变化而出现的噪声电流，由于沟合到栅极上感应出的电荷变化而出现的噪声电流，由于沟道的热噪声和感应栅噪声都是由相同的噪声电压在沟道中道的热噪声和感应栅噪声都是由相同的噪声电压在沟道中引起的，因而它们之间有部分相关性。引起的，因而它们之间有部分相关性。3. 3.放大器技术指标放大器技术指标噪声系数与噪声温度噪声系数与噪声温度散粒噪声：散粒噪声：则是由于栅极泄

51、露电流或者界面复合电流引则是由于栅极泄露电流或者界面复合电流引起的，其表达式为起的，其表达式为=2qIgl 。散粒噪声大小与工作频率。散粒噪声大小与工作频率无关，属于高斯白噪声。无关，属于高斯白噪声。3. 3.放大器技术指标放大器技术指标噪声系数与噪声温度噪声系数与噪声温度微波放微波放大器在大器在没有输没有输入信号入信号时也有时也有功率输功率输出，那出，那就是噪就是噪声功率声功率放大器自身产生的噪声也可用放大器自身产生的噪声也可用等效噪声温度等效噪声温度Te来表达。来表达。NF(dB) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0NF1.023 1.047 1

52、.072 1.096 1.122 1.148 1.175 1.202 1.230 1.259 Te(K)6.825 13.81 20.96 28.27 35.75 43.41 51.24 59.26 67.47 75.87 NF(dB) 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 10 NF1.413 1.585 1.778 1.995 2.239 2.512 2.818 3.162 3.981 10.00Te(K)120.9 171.3 228.1 291.6 362.9 442.9 532.8 633.5 873.5 2637) 1(0NFTTe式中，式中，T

53、T0 0为环境温度，通常取为为环境温度，通常取为300K300K。3. 3.放大器技术指标放大器技术指标噪声系数与噪声温度噪声系数与噪声温度噪声系数和噪声温度关系噪声系数和噪声温度关系3. 3.放大器技术指标放大器技术指标噪声系数与噪声温度噪声系数与噪声温度多级放大器的级联形式，噪声系数的表达式如下多级放大器的级联形式，噪声系数的表达式如下321112NF1NF1NF=NFGG G4. 4.放大器技术指标放大器技术指标增益平坦度增益平坦度 增益平坦度是指增益平坦度是指工作频带内功率增益的起伏工作频带内功率增益的起伏，常用，常用最高增益与最小增益之差，即最高增益与最小增益之差，即G(dB)G(d

54、B)表示，如下图表示，如下图所示。所示。()2MAXMINGGGdB 5. 5.放大器技术指标放大器技术指标动态范围动态范围 动态范围是指低噪声放大器输入信号允许的最动态范围是指低噪声放大器输入信号允许的最小功率和最大功率的范围小功率和最大功率的范围。 动态范围的下限取决于噪声性能动态范围的下限取决于噪声性能。当放大器的噪声。当放大器的噪声系数系数N Nf f给定时，输入信号功率允许最小值是：给定时，输入信号功率允许最小值是：min0()fPNkT B M：其中：其中：M 为最小输入可检测信号；为最小输入可检测信号； 动态范围的上限是受非线性指标限制动态范围的上限是受非线性指标限制，有时候要求

55、，有时候要求更加严格些，则定义为放大器非线性特性达到指定三阶更加严格些，则定义为放大器非线性特性达到指定三阶交调系数时的输入功率值。交调系数时的输入功率值。3.5.2微波晶体管放大器的稳定性稳定工作是放大器性能指标得以实现的前提稳定工作是放大器性能指标得以实现的前提ZRjXccccZZRZjXZZRZjX 2222ccRZXRZX （1 1） 端口的稳定性端口的稳定性设网络某一端口的输入阻抗是设网络某一端口的输入阻抗是 有源网络可以这样来划分成为两大类：一类称为无条件稳有源网络可以这样来划分成为两大类：一类称为无条件稳定或绝对稳定的；一类称为有条件稳定的或潜在不稳定的。定或绝对稳定的；一类称为

56、有条件稳定的或潜在不稳定的。R0R0时，端口时，端口绝对稳定绝对稳定R0R0时，端口时，端口不稳定不稳定 (2)(2)晶体管放大器稳定性条件晶体管放大器稳定性条件3.5.2微波晶体管放大器的稳定性绝对稳定的充要条件绝对稳定的充要条件21112212221221111sSS SSS SK放大器的稳定系数放大器的稳定系数2221122122112sSSDKS S晶体管放大晶体管放大器绝对稳定器绝对稳定的判别准则的判别准则潜在不稳定潜在不稳定11s 21L 端接负载端接负载3.5.3 微波晶体管放大器设计 原理A类B类D类E类F类AB3.5.3 微波晶体管放大器设计（1）最小噪声系数设计（低噪声放大

57、器） 1. 1. 设计输入匹配网路，实现设计输入匹配网路，实现 与与 之间的匹配。之间的匹配。 2. 2. 计算计算 3. 设计输出匹配网络，实现设计输出匹配网络，实现 与与 之间的匹配（之间的匹配（ ） 0ssopt1221222111soptsoptS SSS 0LL2L 在绝对稳定性条件下：在绝对稳定性条件下：（2 2）最大功率增益设计（高增益放大器，驱动）最大功率增益设计（高增益放大器，驱动功放、功放）功放、功放）3.5.3 微波晶体管放大器设计12sL 122111221221221111LsLsLsS SSSS SSS 在潜在不稳定条件下：在潜在不稳定条件下：必须考虑必须考虑 和和

58、 平面上稳定平面上稳定区和不稳定区域的范围，这就必须作出相应平面上的区和不稳定区域的范围，这就必须作出相应平面上的稳定判稳定判别圆来进行判别和设计别圆来进行判别和设计。潜在不稳定器件设计的一般步骤：潜在不稳定器件设计的一般步骤：1. .设计输出匹配，选择输入口稳定的且保证增益要求的设计输出匹配，选择输入口稳定的且保证增益要求的 L L ；2. 2. 计算出计算出 1 1；3. 3.当按最小噪声系数设计时当按最小噪声系数设计时 ，当按最大功率增益设计时，当按最大功率增益设计时 ，计算出，计算出 2 2, ,并判别稳定性圆；并判别稳定性圆；4. 4.若输出口不稳定，则重新选择若输出口不稳定，则重新

59、选择 L L ，重复，重复1 1、2 2、3 3；5.若输出口稳定，则分别设计输入输出匹配网络，完成若输出口稳定，则分别设计输入输出匹配网络，完成 so与 s s、 L Lo与 L L的匹配转换。的匹配转换。3.5.3 微波晶体管放大器设计Lsssopt 1s 匹配电路设计匹配电路设计3.5.3 微波晶体管放大器设计阻抗变换型阻抗变换型匹配电路匹配电路并联导并联导纳型匹纳型匹配电路配电路例例3 3：单级晶体管放大器设计：单级晶体管放大器设计：3.5.3 微波晶体管放大器设计3.5.3 微波晶体管放大器设计 现代无线通信系统的瞬时传输功率都现代无线通信系统的瞬时传输功率都拥有非常宽的幅度变拥有非

60、常宽的幅度变化范围与很高的均峰比（化范围与很高的均峰比（PARPAR），包括：，包括：CDMA-2000, WCDCDMA-2000, WCDMAMA等等。等等。 为了满足为了满足线性度的要求线性度的要求，这些大功率功放往往工作点设置，这些大功率功放往往工作点设置在在A A或者或者ABAB工作模式，并且还需要工作模式，并且还需要回退相当大的功率回退相当大的功率来满来满足要求。足要求。 由于通信系统日益由于通信系统日益小型化与轻量化小型化与轻量化，也带动了冷却系统的，也带动了冷却系统的小型化；这样就要求功放的小型化；这样就要求功放的效率尽可能的高效率尽可能的高。 为了在为了在更宽的输出功率范围内