射频基础知识(1)

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date射频基础知识(1)射频基础知识(1)第一部分射频基本概念第一章 常用概念一、 特性阻抗特征阻抗是微波传输线的固有特性，它等于模式电压与模式电流之比。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。在做射频PCB板设计时，一定要考虑匹配问题，考虑信号线的特征阻抗是否等于所连接前后级部件的阻抗。当不相等时则会产生反射，造成失真和功率损失。反射系数(此处指电压反射系数)可以由下式计算得出：二、驻波系数驻波系数式衡量负载匹配程度的一个指标，它在数值上等于：由反射系数的定义我们知道，反射系数的取值范围是01，而驻波系数的取值范围是1正无穷大。射频很多接口的驻波系数指标规定小于1.5。三、信号的峰值功率解释：很多信号从时域观测并不是恒定包络，而是如下面图形所示。峰值功率即是指以某种概率出现的尖峰的瞬态功率。通常概率取为0.1%。四、功率的dB表示射频信号的功率常用dBm、dBW表示，它与mW、W的换算关系如下： dBm=10logmW dBW=10logW例如信号功率为x W，利用dBm表示时其大小为五、噪声噪声是指在信号处理过程中遇到的无法确切预测的干扰信号（各类点频干扰不是算噪声）。常见的噪声有来自外部的天电噪声，汽车的点火噪声，来自系统内部的热噪声，晶体管等在工作时产生的散粒噪声，信号与噪声的互调产物。六、相位噪声相位噪声是用来衡量本振等单音信号频谱纯度的一个指标，在时域表现为信号过零点的抖动。理想的单音信号，在频域应为一脉冲，而实际的单音总有一定的频谱宽度，如下页所示。一般的本振信号可以认为是随机过程对单音调相的过程，因此信号所具有的边带信号被称为相位噪声。相位噪声在频域的可以这样定量描述：偏离中心频率多少Hz处，单位带宽内的功率与总信号功率相比。例如晶体的相位噪声可以这样描述：偏离中心频率10Hz100Hz1KHz10KHz单边相噪-120dBc/Hz-130dBc/Hz-140dBc/Hz-150dBc/Hz七、噪声系数噪声系数是用来衡量射频部件对小信号的处理能力，通常这样定义：单元输入信噪比除输出信噪比，如下图： 对于线性单元，不会产生信号与噪声的互调产物及信号的失真，这时噪声系数可以用下式表示：Pno表示输出噪声功率，Pni表示输入噪声功率，G为单元增益。级联网络的噪声系数公式：第二章发信机 一、 发信机简介v 发信机实现了将调制信号调制并放大到合适的功率电平，以便于发信天线发射v 发信机主要有待调制信号处理部分、调制部分和功放三大部分组成v 发信机的核心单元是调制部分v 调制部分根据调制方法的差异，可以分为模拟调制、数字调制；幅度调制、频率调制和相位调制v 功放部分可以根据导通角不同分为A类、B类、AB类、C类等二、发信机组成的基本框图三、发调制部分v 发调制可以分为一次变频和两次变频两类。v 两次变频是指现在较低的频率上完成调制，在通过混频或倍频变为所需要的频率v 一次变频和两次变频相比具有电路设计难度大的劣势，具有成本低的优势v BTS2.0采用了两次变频方案v BTS3.0采用了一次变频方案四、发信机指标v 发信机的指标主要分为三大类：w 功率类w 频率类w 调制类v 对于任何发信机，最重要的指标就是发射功率v 对于不同系统的发信机，根据调制方法和协议的不同，测试指标也不尽相同，下面介绍几个典型的指标。 1、 邻道泄露邻道干扰指标是用来衡量发射机的带外辐射特性，定义：邻道功率与主信道功率之比，通常用dBc表示，如下图： 2、杂散辐射杂散辐射是指发信机发射的除信号之外的其他信号，它包括谐波分量、寄生辐射、交调产物、发射机互调产物等。对该指标的规定是为了提高系统的电磁兼容性能，以便与其他系统共存，当然这也保证了系统自身的正常运行。 3、互调指标发射机互调指标是来衡量多个发信机在一起工作时的相互干扰情况，设有两个发射机在一起工作，发信机B发射出的信号会经过发射机A的天线耦合至发信机A，从而与发信机A的信号产生交调，该交调称为发信机互调，如下图： 4、调制精度调制精度指：发射信号调制波形与理想调制波形之间的矢量误差的方差与发射信号功率比值，再开方。第三章 收信机一、收信机简介v 收信机实现了将微弱的无线信号接收、放大和解调，恢复为基带信号v 收信机主要由高频部分、中频部分和基带处理部分组成v 最新的接收机在中频部分开始实现数字化，号称Software Radio（软件无线电），BTS3.0已经采用了部分软件无线电技术，表现在中频采样，数字化处理。二、超外差式接收机的框图三、收信机指标v 收信机最基本的指标是接收灵敏度v 理论上接收机的极限接收灵敏度为Pmin=lgKTB+NF+C/N其中，K为波尔兹曼常数；T为信源绝对温度；B为等效噪声带宽；NF为系统噪声系数；C/N为解调门限载噪比四、无畸变动态无畸变动态指用来描述接收机不受三阶交调影响的整个接收信号电平范围，它的下限是所考虑带宽范围内的热噪声加上接收机噪声系数，它的上限是，系统产生的三阶交调产物刚好等于所考虑带宽范围内的热噪声加上接收机噪声系数时的信号电平。利用接收机输入三阶截止点IP3可以方便用下式表示：五、杂散响应杂散响应也称为寄生响应、寄生灵敏度。现在采用的接收机大都是超外差接收机，接收机接收到的能够与本振组合产生中频的信号很多，其中除主接收信号外的其他频点称为寄生波道，该频点产生的响应称为寄生响应。由上式中看到，当m=n=1，假设取负号时，fr为所要信号，则m、n的其他组合所得到的fr为寄生波道。六、邻道选择性邻道选择是考核接收机在相邻频道有信号时的接收能力，它等于接收滤滤器（指中频滤波器）在邻道频点处的抑制与通带插损的比值，通常用dBc表示。七、阻塞与互调抑制阻塞指标是来考核接收机抗干扰能力，它描述的是接收机在接收的频道外存在单音或调制信号干扰，但干扰信号不在相邻频道或杂散响应频点上的情况，具体指标要求根据不同系统而定。阻塞指标一般要求接收机前端要有较高的三阶截止点（即大的线性动态），同时要求中频滤波器有较好的选择性。互调抑制同样是指接收机在工作时，同时有两个干扰信号进入接收机，这两个信号的三阶交调产物正好落在带内。互调抑制主要要求接收机前端有较高的三阶截止点。第二部分 射频器件第四章 分布参数电路一、微波传输线概述 微波集成电路的无源电路部分大都采用微带线构成的分布参数电路。微带线是在低损耗介质板上制作的薄膜 带条，它的结构可以理解为从同轴传 输线演变而产生。图1-5（a）是同轴传 输线，图中实线箭头代表电力线，虚线是磁力线。如果把外导体金属筒切开民成平板，由导体为薄，则构成对称三板带状线，如图1-5（b）所示。上、下两平板为接地板，处在同一电位，中间薄膜条夹在两片介质板中。若去掉上片介质板和金属板，就构成了微带线，如图1-5（c）所示。图1-5(c)称为标准微带线。此外，微带线还有许多变种形式，常用的几种如图1-6所示。图1-6的几种结构各有优缺点，其共同特点都是在介质基片上刻蚀的平面薄膜电路。由于介质的介电常数高，介质内波长短，因而微波集成电路尺寸得以缩小。几种集成电路传 输线的特性比较可参见表所列。 微波集成中路传输线特性传输线适宜的工作频率（GHz）可用的阻抗范围（）传输线截面传输线Q值标准微带110015100小低悬置可倒置带线115020150小中等三板带线0.54015100小低槽线26060200中等低共面线26040150中等低鳍状线3015020400中等中等二、介质基片与导体材料 基片是微波电磁场传输媒质，又是电路支撑体。对基片的要求是微波损耗小，表面光滑度高、硬度强、韧性好、价格低。常用的介质及其特性如表所列。关于各种基片材料的特性和优缺点详见第十三章。最常用的介质基板是聚四氟乙烯纤维环氧树脂板和氧化铝陶瓷板。聚四氟乙烯纤维板价格便宜，双面用热压法覆以铜膜，可以直接光刻腐蚀成电路，加工简便，广泛用于112GHz波段的多种MIC电路。微波集成电路基板材料材料名称表面粗糙度（um）10GHz时的损耗正切（10-4）介电常数导热率（W/cm）应用与特点聚四氟乙烯纤维加强板10152.52.8厘米波段MIC价格低，加工容易氧化铝（99%）25250.3厘米波段至毫米波段蓝宝石0.51199.50.4毫米波MIC人工复合介质2200.010.05厘米波段，介电常数任意高介陶瓷1220800.010.05用于小尺寸电路Duroid2.24.0毫米波MIC石英0.10.513.80.01毫米波MIC，但易碎铁氧体102513160.03单向器件电路氧化铍21016.62.5导热好，用于功率器件硅110100121.5MMIC砷化镓1612.90.46MMIC磷化铟140.68MMIC氧化铝陶瓷的介质损耗小，表面光洁，适宜于较高频段，而且介电常数高，制作的MIC小巧精致。但是陶瓷板需要真空镀膜，如工复杂，成本高。基片厚度大多数为0.51.0mm，毫米波段 则用0.20.3mm为宜。基片过薄时，强度差，聚四氟乙烯纤维板容易翘曲，氧化铝陶瓷则易碎；基片过厚时，同样微波特性阻抗的微带线宽度过大，可能产生横向高次电磁场模式，也可能在基板厚度方向产生表面波模式，因而影响了电路的正常工作。对微带线金属膜材料的基本要求是：电导率高、稳定不氧化、蚀刻性好、容易焊接、容易淀积或电镀，对基板附着力强。表1-8给出一些常用金属导体材料。对于MIC来说，最常用的金属材料只是铜与金。材料 表面电阻率(f单位：HZ)趋肤浓度2GHZ（m）热膨胀系数（10-8/）与介质附着力工艺方法银（Ag）2.51.421差蒸发铜（Cu）2.61.518差电镀蒸发、化学淀积金（Au）3.01.715差电镀、蒸发铝（Al）3.31.926差蒸发铬（Cr）4.72.79好蒸发钯（pd）3.611中蒸发、电镀、溅射钽(Ta)7.24.06.6好溅时三、标准微带线 1、微带线中的电磁场微带线是MIC的基本元件，不论是MIC的使用者不是电路设计人都必须对微带 线特性具有清楚的概念。微带 线的结构与电磁场分布如图所示。微带 线基板厚度为H，相对介电常 数为r。当介电常数远大于空气介电常数o，而且频率较低时，电磁场基本上存于介质基板内。此时的电磁场模式可认为是横电磁波，即TEM波。但实际上总会有一小部分电磁场存在于空气中，在空气和基板交界面处出现电向分量，因此称之为准TEM波。微带线上的电流密度分布如图1-17（c）所示，微带 边沿电流密度大，是电流损耗的主要组成部分。 2、微带线参数微带 线的主要电参数是特性阻抗Zo，传播波长g和有效介电常数e。根据微波传输线特性阻抗Z的定义式中L-单位线长的电咸；C单位线长的电容。如果把基片介电常数设为理想值ro=1，此时的特性阴抗用z01表示。当基片有效介电常数为e时，微带线特性阻抗Zo将是微带中波长g和空气中波和o关系是有效介电常数的数值是由电磁场 分布决定的。如果电磁场全部处于介质中,则e=r，但是由于电磁场的一部分存在于o=1的空气中，因此gr,e的严格计算是比较复杂的，不仅微带电磁场分布不规则，而且随着电波频率的升高，电磁场的纵向分 量增加，磁场纵向分量增长比电磁纵向分量增长还要快。因此e也随频率变化，传播波长和微带特性阻抗都随之而变。这就是色散现象。一般情况下，频率低于45GHZ时，色散现象不严重。随后，e将随频率增加而增加，例如12GHZ时的e将比4GHZ时大约增长5%左右。 3、微带元件（1）基本微带 元件最常用的基本微带元件及其等效电路如图1-8所示。微带线段等效电路元件图（d）表达式是jL=jZosin细微带的特性阻抗Zo较高，微带线段具有串联电感作用；宽微带的特性阻抗低，等效为并联电容。微带线并联开路分支图（ c）的等效电路元件为当分支线长度即机械长度小于时，则等效为感抗。微带线并联短路分支图（c）的等效电路元件为当分支线长度90时，等效为容抗 。用这三种微带元件即可组成变化多端的各种微带电路。四、槽线与共面线槽线和共面线是MIC中常用的传输线，其共同特点是接地面与传输线在同一平面上。1、槽线槽线的结构和电路分布如图所示。槽线中的磁场分布是纵向的，所以传播的电磁场不是TEM波，基本上属于TE波（横电波）。主要的优点缺点如下：（1）容易安装有源器件。由于全部导体在同一平面上，安装半导体有源器件时，无需像微带那样在基片上打孔控槽。简化了工艺，增加了可靠性，便于集成。（2）容易获得较高阻抗。标准微带线的特性阻抗 最高可做到150。阻抗再高时，微带 线太细，工艺误差过大，而且容易断线，而槽线分布电容小，阻抗高得多。（3）占据基片面积大。相应的集成电路尺寸要增大。（4）难于获得低阻抗。细小槽缝的工艺加工困难 2、共面线1-13所示。外侧两条金属膜是接地面，传播的波也是准TEM模。它的优点也是容易安装有源器件，尤其是对于平衡混频器等两支对称二极管的电路非常方便。当基片常数较高时，电场大部分集中在介质中；介质中波长短，同样可以获得小尺寸集成电路。五、MIC电路设计和工艺加工的要点1 1、微带线条微带线边沿电场向两侧延伸，如图1-7（b）所示，电场延伸距离大约等于2倍基片厚度。因此为避免线间耦合，微带线间距离以及微带 至外盒边壁距离应保持为基片厚度的4倍以上。微带 的特性阻抗抗 通常宜保持在12010之间，特性阻抗 过高，线条小于0.1 mm时，很难保证尺寸精度。 2、侧向腐蚀裕量光刻腐蚀微带线时，由于存在侧向腐蚀作用，光刻所得的线条宽度比保护膜宽度要窄。线条变窄的比率和很多工艺因素有关。在化学药液消耗大的局部区域，浓度降低，腐蚀速率降低，而z药液流动性好的区域，保持较高较高浓率，各处也不全一样。一般情况下，可把微带线宽加出12倍金属膜厚作为腐蚀裕量。具体裕量值可根据各厂家工艺具体情况凭经验确定。总体来说，金属膜薄，而且腐蚀时不停搅动，可以减小侧向腐蚀误差和保持微带边沿光整。 3、接地通孔微带接地是用金属化通孔实现的。微带 终端接地孔直径必须大于微带 线宽，否则将存在较大接地电感。对大面积接地情况，可设计成排的密排小孔。孔径设计值不宜小于0.5mm，否则对孔壁进行化学沉积金属层时不易保证质量。 4、有封装晶体管焊接管脚 引线和微带电路焊接时，必须焊至管脚靠近管壳的根部。因为设计电路时所用的器件S参数是从管壳边实测的，否则管脚引线效应将影响电路性能。微波半导体管焊接前容易损坏。应该用非金属镊子取拿，不能用手直接触摸，以免人体静电使微波管损坏。焊接操作时，手腕上宜带防静电接地链，地面铺导电橡胶垫。焊剂用熔点为150以下的低温焊锡，全电路各无源元件焊装之后再焊接有源器件。5、管芯和梁式引线器件焊接管芯和梁式引线器件不仅尺寸极小，而且更容易被损坏。有些单片集成电路中有空气桥，此种芯片和MIC混合组装时，更要注意，用镊子直接夹持或触动有源区。大部分管芯北面有金属化层，可以接在底板上。焊料常用锡金合剂（含金20%），以避免焊接过程中熔掉管芯的镀金层。焊接时宜采用热气浴焊，外引线也可以用热压焊，但不宜用超声压焊。第五章 微波二极管一、低噪声双极晶体管普通三极管中常彩的频率参数，如共基极截止频率fa，共射极截止频率,甚至特征频率（也称增益带宽积）在微波应用中，实用意义不大，微波低噪声管最重要的微波电参数就是功率增益Gp，和噪声系数Nf（1dB压缩输出功率P1dB将在功率管中讨论。）1、功率增益Gp和S参数功率增益Gp定义为，在某一特定测试条件下，晶体管的输出功率与输入功率之比Gp=Po/Pi对于低噪声晶体管，手册中给出的常常是对应最小噪声系数状态下的功率增益，称相关增益，常以Ga表示。对于小信号微波晶体管放大器的功率增益可采用下式进行设计；式中Ys实际源导纳，Ys=Gs+jBs;Yog相应最大可用功率增益Gmax时的最佳源导纳，Yog+jBog;Gp实际源导纳Ys下的功率增益；Gmax最佳源导纳Yog下的最大可用功率增益；Rg增益电阻。常数，可以计算也可以测量求得。Gp等于常数的轨迹是在史密斯圆图上，即要求把晶体管作为一个四端网络，由生产厂提供必要的网络参数。在低频时可提供h参数，在高频时常提供Y参数，到了微波频率应提供是S参数。S参数是一组四个复数参数，即S11、S21和S22。微波晶体管的S参数可用输入和输出电流 i1和i2，输入和输出阻抗Zin和Zout以及输入和输出端所接无损传输的特性阻抗Zo表示。S11=输入反射系数，当输出接上匹配负载时（ZL=Zo） S21=正向传输系数，当输出接上匹配负载时（ZL=Zo）S12=反向传输系数，当输入接上匹配负载时（Zs=Zo）S22= 输出反射系数，当输入接上匹配负载时（ZL=Zo）式中，Z，是实际信源阻抗，Zs=1/Y，rf和rr是微波晶体管的正向和反向电流传输因数： 各个频率下的S参数可以采用微波网络分析仪（如HP8510）在50的微波系统中测得。因为S参数是晶体管工作频率和工作点的函数，所以设计时要注意选用相对的S参数数据。S参数对于线性小功率放大器的增益带宽设计是一组非常重要的电参数，而且目前已达到很高的准确性。只要生产工艺稳定，对于同一管型的晶体管，其S参数离散很小，因而无需对每只晶体管都进行测试，往往是抽测部分样品，给出该产品的典型值。2、噪声系数Nf和噪声参数晶体管噪声系数Nf的基本定义是晶体管的输入端信号/噪声功率比与输出端信号/噪声功率比的比值。 由式（3-15）还可以把噪声系数理解为Gp=1时的噪声放大倍数。双极管的噪声系数是频率和工作点的函数，其噪声系数随频率的变化如图3-4所示。它可分为三个噪声区。（1）低于频率f1时，是1/f噪声区，其噪声源主要由载流子的表面复合与产生引起，这随频率呈2dB/倍频程的规律下降。f1的系数值取决于晶体管的结构和制作工艺，目前良好的半导体工艺已可使f1达到十几赫，甚至更低，这就是所谓的低频低噪声晶体管。（2）在f1和f2之间的频率区称为白噪声区，这时晶体管中的噪声源主要是热噪声和散粒噪声，所以这线性工作频率无关，保持一个恒定的噪声系数。图中的(3)当频率超过f2时，噪声系数开始上升，当升高3dB时，达到频率为发射极电阻，随后噪声系数将以6dB/倍额 的规律上升，这是由于晶体管的功率增益已开始以6dB/倍频的规律下降，微波低噪声晶体的研制任务就是要尽量降低白噪声区的噪声系数，并将f2向高端推移，实际的硅微波低噪声晶体管绝大部分都工作在f2fN之间的频率范围。二、功率双极晶体管1、输出功率Po和最佳负载耗散功率大于1W的晶体管被定义为功率晶体管，它和低功率管的不同之处在与功率管的要求各更大的电流容量以提高输出功率。为提高电流容量就要增大发射极周长以及发射区和基区面积，微波功率管的设计就是要求在尽可能小的基区面积内（满足功率要求）获得最小的发射结面积和最大的发射极周长，这就比低噪声管有更多的结构形式。目前常用的有三种电极结构，即梳状结构、覆盖结构和网状结构。晶体管的输出功率本质上取决于自身的电流和电压的承受能力，微波功率管由于应用场合不同，有几种输出功率定义，不同定义的输出功率值差判别很大，下面是几种常用的输出功率定义。（1）饱和输出功率Po这是指微波功率管在特定的测试条件下，所能获得的最大输出功率，如图3-8所示。为安全起见，实际功率管不可能工作在最大的饱和功率状态，而是将接近饱和输出功率的某一较大值作为饱和输出功率Po。它反映了连续波使用时，功率管的最大可输出功率。它都在丙类（或C类）工作时测得，处于很强的非线性工作状态，失真较为严重。（2）线性输出功率P1dB也称1dB增益压缩时的输出功率。晶体管在小信号工作时，其功率增益值保持不变，即图3-8中直线段的斜率，但随着输入信号的增大，晶体管开始进入非线性区，这时功率增益将随输入增加而逐渐下降，当增益下降到比线性增益低2dB时，所对应的输出功率即定义为1dB压缩输出功率P1dB，有时也简称为线性输出功率，在多路通信应用中，对信号失真有较高的要求，所以应以P1dB作为对功率管的衡量指标。功率管的最在输出功率，除与晶体管本身性能的好环有关外，还和负载阻抗 关系极大。在线性网络设计中，为获得最大输出功率，常采用共轭匹配，但对功率管由于其输入、输出阻抗 的非线性，不可能实现共轭匹配。但是，可以找到一个变换网络，这个网络可将50负载变换到这样一个阻抗，其实部RL 可在集电极电压Vcc下获得最大输出功率，其虚部可将晶体管内部寄生元件（Le,Lb和Cc等）调谐掉。这个变换网络所变换成的阻抗，称为最佳负载阻抗，也称动态输出阻抗，下面在功率增益中还将进行讨论。2、功率增益Gp和大信号动态参数功率晶体管的功率增闪本质上取决于晶体管的fT及其动态阻抗 。其定义与低噪声等完全相同，不过功率的测试往往是照顾获得最大输出功率Po，而对应的增益Gp就不是最大（两者不可能同时最大），一般给出的Gp值都与输出功率状态相对应。功率管由于结面积增大，其输入阻抗大大降低，发射极引线电感Le的负反馈影响也大增加，其功率增益表示式为式中RL负载电阻；Re（Zin）动态输入阻抗实部；r截止角频率且r=2FT。这是器件研制者常采用的设计公式。由于功率放大器是非线性工作，小信号线性分析已不适用，这给功率放大器的设计带来更多的困难，目前实际设计常采用以下三种方法，即动态阻抗法、大信号S参数法和负载和负载牵引法，因而对功率晶体要求给出各种相应的附加参数。3、热阻对于行定的功率，其热阻一般是固定的，这取决于晶体管的结构设计和工艺水平。使用中要注意的是生产厂给出的热阻指标都要给出相应的壳温或散热器温度，因此使用者要特别注意功率管的散热，以使实际工作晶体管的壳温低于给定的壳温，或者降低使用功耗，才能使晶体管的实际工作结温较低，从而保证功率长期可靠的工作。实际使用中为保证器件长期可靠性的工作，一般都要降低工作结温。我们选工作结温为150 ，将Te=50 ，Tj=150 和Rth=10 /W代入式（3-22）求得PCM=10W ，即这时功率管不能工作在原事实上的最大功耗15W，而必须降至10W使用才行；如果又要在15W下工作，还要求结温为150 ，另一办法是强迫散热，保证功率管的壳温降至0 ，这仍然是依据式（3-22）求得，故式（3-22）是功率管热电设计的一个重要公式。4、工作类别与抗负载失配能力（1）工作类别功率晶体管放大器常采用的工作类别有三类，即甲、乙、丙三类（也称A、B、C三类）。线性功率管放大器几乎都采用甲类放大，其工作特征是发射极结处于正向偏压，晶体管在静态时维持较高的静态直流电流。这类放大的特点增益高、噪声低、线性好，但缺点是输出功率小并且效率低，其理论最效率为50%，实际只有25%40%。因此功率管只在高线性要求时，才采用甲类放大。（2）抗负载失配能力功率晶体管在微波系统中应用时，为保证大功率和高增益都处于匹配状态，这时经功率管放大输出的微波功率都由负载吸收；然而由于某种原因引起输出失配时，将会使微波功率管的负荷大大增加。一方面由于电感性负载的影响，会使加在集电极上的电压增高，在丙类放大时，有可能达到几倍于电源电压，另一方面由于失配，反射 回来的微波功率也由微波管承担，这样就可能使晶体管产生二次击穿或此起其他热电失效，从而烧毁功率管。而且失配愈严重。即电压驻波比愈大，对功率管抗 烧毁能力的要求愈高，因此对负载失配的承受能力也是微波功率管的一项重要指标，常用功率管所能承受的电压主驻波比数值来表征，如3：1；10：1或无穷大等，而且一般都指全相位的情况，即在等驻波圆内的所有负载情况下，都不会引起功率烧毁。其测试原理就是在Po测试系统中输出调配器之后，串入一可变负载。首先将功率管调配至额定输出功率，然后调节可变负载使之失配其失配状态，即不同的电压驻波比数值，可以从可变负载的刻度上读出。这样即可根据功率晶体管是否损环来判断其抗电压驻波比（VSWR）的能力。1三、振荡晶体管在振荡器的应用中，对双极晶体管的电参数和管壳结构都有一些特殊要求，为此目前已把振荡晶体管例为单独一类。目前除通常的微波晶体管振荡器以外，为了稳频和调频又出现了声表面波振荡器（SAWO）、介质振荡器（DRO）、压控振荡器（VCO）和YIG调频振荡器（YTO），前两者属于高稳定的固定频率（可微调）振荡器，后两者属于宽带电调振荡器。双极晶体管振荡器相位噪声低、频率稳定性好、动态范围宽、效率高、输出功率可以从瓦到几瓦，因此已成为重要的微波频率源。一般双极管振荡器都采用共基极电路。振荡电路基本也是一个放大电路，但它的输出可通过反馈元件向输入端提供正反馈，从而引起振荡。由于微波晶体管的振荡频率哥以很高，有时不用外接反馈元件，单靠晶体管自身的分布参数产生振荡。尤其值得指出的是在共基极接法中，晶体管内部的基极引线电感Lb起着正反馈的作用，更利于晶体管的起振。振荡晶体管管壳的输入、输出电容比放大管管壳要求更为严格。另外，对于YIG电调振荡器，绝对不能选用含有铁磁材料的管壳，以免破坏YIG小球的磁砀分布。振荡晶体管的主要微波电参数有振荡频率fo、振荡输出功率Po和相位噪声。1、振荡频率fo它一般指在保证一定输出功率电平下，微波晶体管所能达到的最高振荡频率。由于要保证振荡输出一定的功率，再加上电路损耗等因素影响，所能实现的振荡频率远低于该晶体管的最高振荡频率fmax，它们之间也无固定关系，由实际振荡测试获得。目前硅双极管的振荡频率多在10GHZ以下，毫瓦级输出的振荡频率可达20GHZ。2、振荡输出功率Po它是指在一定振荡频率fo下，晶体管所能输出的最大振荡功率。同样的晶体管芯片，作振荡用时，其输出功率和效率一般要低于作放大用的输出功率和效率。微波振荡晶体管的输出功率大多在十几毫瓦至几百毫瓦，在微波低端也可以输出几瓦，效率一般低于10%。如需要更大功率，可后接功率放大器。3、相位噪声它是在距载频率特定频偏处，1HZ带宽内的噪声电平相对载频电平的比值，以单位dBc/HZ表示。它反馈输出频率中的短期频率改变。从晶体管本身特性来讲，它取决于晶体管的闪烁噪声，或称1/f噪声。晶体管的1/f噪声低，振荡器的相位噪声就小；反之，相位噪声就大。由于双极管不是表面型器件，其pn结有源区深入芯片内部，而下面要介绍硅MOS FET和CaAs的MES FET属于表面型器件，因此双极晶体管具有更低的相位噪声。目前报导，双极管振荡器的相位噪声要比CaAs FET低一个量级。第六章 低噪声放大器一、噪声系数与噪声温度低噪声放大器在任何为微波接收系统中部处于前端位置，这是因为微波系统的噪声系统，基本上取决于前级放大器的噪声系数，所以低噪声放大器是接收系统中相当重要的部件。任意微波部件的噪声系数Nf定义如下：式中Nf微波部件噪声系数。Sin,Nin分别是微波放大器输入端的信号功率和噪声功率；Sout,Nout分别是微波放大器输出端的信号功率和噪声功率；从式可以看出，噪声系数的物理含义是：信号通过放大器之后，由于放大器产生噪声，使信噪比变坏，信噪比下降的倍数的是噪声系数。通常，噪声系数用分贝数表示，此时随着微波晶体管工艺技术的进步，肖特基栅场效应晶体管MES FET和高迁移率场效应晶体管HEMT的噪声系数不断下降。HEMT管的噪声系数在Ku波段约为0.7dB，在C波段甚至低达0.2dB。此时放大器的系数很小，用噪声系数表示方法很不方便，因此，改用等效噪声温度的表示方法。根据噪声系数公式，可改写成下式，并画出放大器电路如图所示。式中，G是放大器功率增益。图中是信号源电阻Rg产生的噪声电动势的平方 值。式中k玻耳兹曼常数,k=1.38X10-23j/k;To环境温度，通常取为293K。f放大器通频带。对于微波系统来说，Rg是50系统标准阻抗。当放大器和信源阻抗 匹配时，放大器输入端噪声功率为Nin=kTo f将此值代入式，即得不难看出，放大器输入的噪声功率是信源阻抗 在To时产生的热噪声， 那么放大器自身产生的噪声也可看成一个Te的物体产生的热噪声，这里可以把T，理解为放大器的等效噪声温度，这时放大器输出噪声功率为得到移项即得到放大器噪声温度Te和噪声系数的关系利用公式可得出噪声系数与噪声温度对应关系，见下表所列（To=29k）。对于理想无噪声放大器来说，Te等于零。目前C波段优良的低噪声放大器的噪声温度可达到2030K。噪声系数和噪声温度关系Nf(dB)0.10.20.30.40.50.60.70.8.091.01.5233.544.5510Nf1.02331.0471.0721.0961.1221.1481.1751.2021.231.2591.4131.5851.9952.2392.5122.8183.16210Te(k)6.8213.8120.9628.2735.7543.4151.2459.2637.4775.87120.9171.3291.6362.9442.9532.8633.52930二、功率增益、相关增益与增益平坦度1、功率增益微波放大器功率增益有多种定义，比如资用增益、实际增益、共轭增益、单向化增益等，其原理可参考有关书籍。对于实际的低噪声放大器，功率增益通常是指信源和负载都是50标准阻抗 情况下实测的增益。实际测量时，常用插入法，即用功率计先测信号源能给出的功率P1；同志把放大器接到信源上，用同一功率计测放大器输出功率P1，功率增益就是在测量中，信号源和功率计都是标准50 ，所测P1是信号源资用功率，而P2则代表50 负载能获得的功率。从这个意义上讲，功率增益G中考虑了放大器输入和输出失配所造成的增益下降因素。2、相关增益低噪声放大器都是按噪声最佳匹配进行设计的。噪声最佳匹配点并非最大增益点，因此增益G要下降。噪声是最佳匹配情况下的增益称相关增益。通常，相关增益比最大的增益大约低24dB。功率增益的大小还会影响整机噪声系数，下式给出简化的多级放大器噪声系数表达式：式中Nf放大器整机噪声系数；Nf1,Nf2,Nf3分别是第1，2，3级的噪声系数；G1，G2，分别是第1，2级功率增益。从上式可知，只有当前级增益G1和G2足够时，整机噪声才能接近第1级的噪声。在微波系统中，低噪声放大器看成为第1级，而后面的混频接收部件可看成为第2级，那么低噪声放大器的功率增益就必须足够高，才能压制掉后级噪声的影响。作为成品微波低噪声放大器的功率增益，一般是2030dB范围。3、增益平坦度增益平坦度是指工作频带 内功率增益的起伏，常用最高增益与最小增益之差，即G（dB） 表示，如图4-2所示，比如允许全频带f之内，G（dB）2dB。在多路通信的情况下，低噪声放大器对全部信道放大，后接终端机进行分路。每个信道的信号只占几十兆赫，对于每个信首信号，增益起伏不能太大，这时常用增益斜率dB/MHZ来表示，比如增益斜率要求为G=0.05dB/10MHz0.1dB/10MHz.对于低噪声放大器来说，就是全频内增益变化要平缓，不允许增益有陡变。 三、工作频带考虑到噪声系数是主要指标，但是在宽频带情况下难于获得极主低噪声，所以低噪声放大器的工作频带一般不太宽，较多为20%上下。工作频带f的含义也标注在上图中。工作频带有不仅是指功率增益满足平坦要求的频带范围，而且还要求全频带内噪声要满足要求，并给出各频率点的噪声系数。微波低噪声放大器成品大都不给出工作频带以外的幅频形状。有些设计不良的产品，频带形状并不像上图所示，而可能是下图形状，频率低端带外有较大增益突起，频率高自身增益大约是以每倍频程6dB规律下降，在低频端增益低，而高端增闪则易于跌落。四、动态范围动态范围是指低噪声噪声放大器输入信号允许的最小功率和最在功率的范围。动态范围的下限是受噪声性能所限。当放大器的噪声系数Nf已给出定时，输入信号功率允许最小值是Pmin=Nf(kTo fm)M式中fm微波系统的通频带 （例如中频放大器通频带）M微波系统允许的信号噪声比，或信号识别系数。To环境温度，293K。由式可知，动态范围下限基本上取决于放大器噪声系数，但也和整个系统的状态和要求有关。例如，电视信号微波中继每信道频等fm-40MHZ，信号噪声比M=10，放大器噪声系数Nf=1.2(0.8dB),动态范围下限是Pmin=7.23x10-9mW-81dBm.动态范围的上限是受非线性指标限制的。有时动态范围上限定义为放大器输出功率呈现1dB压缩点时的输入功率值；有时要求更严格些，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。动态范围上限值基本上取决于放大器末级FET的功率容量。小信号FET管1dB压缩点输入功率范围是110dBm。若按前面的举例，动态范围将是8090dB。1五、端口驻波比和反射损耗低噪声放大器主要指标是噪声系数，所以输入匹配电路是按照噪声最佳来设计的，其结果必然偏离驻波比最佳的共轭匹配状态，因此驻波比不会很好。此外，由于微波场效应晶体管或双极型晶体管，其增益特性大体上都按每倍频程以6dB规律随频率升高而下降，为了获得工作频带内平坦增益特性，在输入匹配电路和输出匹配电路都是无耗电抗性电路情况下，只能彩低频端失配的方式压低增益，以保持带内增益平坦，因此端品驻波比必然是随频率降低而上升高。第七章 功率放大器一、工作频带工作频带是指放大器应满足全部性能指标的连续频谱范围。二、输出功率像噪声系统一样，最好的功率匹配并不能得到最好的增益匹配，考虑放大器输出功率时，必须会影响增益。通常高功率器件的增益低于低功率器件的增益，而在宽带系统中要想得到较好的功率输出是很难实现宽带匹配。1、饱和输出功率当功率放大器的输入功率加大到某一值后，再加大输入功率并不会改变输出功率的大小，该输出功率称为功率放大器的饱和输出功率是个常数。在实际功率放大器中，在某一个频率处增加输入功率，通常用相对某一个输出功率处的饱和浓度表示，相应的输出功率称为饱和输出功率，典型的测量点是7dB压缩点。2、1dB压缩点输出功率P1dB功率放大器增益压缩1dB所对应的输出功率称为1dB压缩点输出功率，记作P1dB。三、功率效率和功率附加效率功率放大器的功率效率p是功率放大器的射频输出功率与供给晶体管的直流功率之比。表示了功率放大器把直流功率转换成射 频功率的能力，定义为：对于双极晶体管情况，p称为停电极效率，对于MOSEFT和MESFET，称之为漏极效率。显然，这种定义并没有考虑晶体管的放大能力，即具有相同功率效率的两个晶体管的功率增益可以差别很大。通常，在设计功率放大器时，希望用功率增益高的功率晶体管。为此又给出另一种定义add称为功率放大器的功率附加效率，它反映了直流功率转换成射频功率的能力，又反映了放大射 功率的能力。很明显，用功率附加效率add衡量功率放大器的功率效率是比较合理的。四、交调失真交调失真是具有不同频率的两个或更多的输入信号经过功率放大器而产生的混合分量，它是由于功率放大器的非线性造成的。若输入L个信号，其角频率分别是1、23，由于功率放大器的非线性作用，输出分量中将包含许多混合分量。m 1m 2p 1m、n、p=0，1，2，各分量分别称为（ m+n+p）阶交调分分量功率放大器的非线性越强，交调分量越大。交调分量的大小可以用交调系数表示，假如输入L个等幅信号，（m+p）阶交调系数可以写成式中，P1，、Pl分别对应于角频率1、l的基波输入功率；Pm+n是（m+p）阶交调功率。Mm+p的单位是dBc，它的含义是交调分量比载频分量的分贝数。1、三阶交调等幅信号输入功率放大器时，输出信号中存在各种阶次的交调分量，其中三阶交调分量（）与基波信号角频率（）非常接近，不可能把它从信道 中滤除，因此，三阶交调分量就成为干扰信号。同理，五阶交调分量（）也是干扰信号，但它比三阶交调分量要小得多， 在系统要求不严时可以不考虑。三阶交调系数 (dBc)式中，Pi和Pi+1是分别对应角频率的基波信号输入功率；P3是三阶交调频率（）处的三阶交调功率；三阶交系数是度量微波功率放大器非线性的一项重要指标，不同的系统对它的要求是不一样的。（3）三阶交调交截点下图中基波信号输出功率特性延长线与三阶交调特性处长线的交战称三阶交调交截点，用符号IP3表示，对应的输出功率是PI，它也反映了微波功率放大器的非线性，当输出功率一定时，三阶交调交截点输出功率Pi越大，微波功率放大器的线性就好。由pI也可以估计三阶交调系数式中，Pout是基波信号输出功率。所有变量都是以dB为运算单位，它只适用信号功率较小的情况。三阶交调交截点比1dB压缩点10dB，它是放大器在A类工作的一个假想点。2、二阶交调（1）二阶交调系数两个角频率为W1和W2的乖幅基波信号同时输入微波功率放大器时，非线性引起的二阶交调阶交调（）失真比二次谐波（2）失真严重，大了6dB，它也比三阶交调失真严重。由于二阶交调是二阶非线引起的失真，从电路结构的角度分析，可以用平衡电路减小这种失真。此外，在窄带系统中，二阶交调分量偏离基波信号频率较远，可以采用滤波技术减小它对系统的影响，故设计窄带功率放大器时并不考虑这一项技术指标。而在多信号宽带传输系统（如电缆电视系统）中，二阶交调产物是落在信号通道内，此时，无法用波器去减小它对系统的影响，因此，设计宽带功放时必须考虑这一项技术指标。二阶交调系数 (dBc)式中 P2频率为的二阶交调功率；P1和P2对应角频率的信号输出功率。因此，在多信号宽带传输系统中，二阶交调系数也是功率放大器非线性的一项重要指标，它的大小取决于电路结构及其工作状况。3、三拍失真具有三个不同角频率w1,w2和w3的信号同时输入到功率放大器时，其中非常接近，而W3离开w1和w2比较远，这时在功率放大器输出端出现失真分量。通常把这种失真归结为三阶失真这一类。为了把它与三阶失真区分开，也把这种失真称为三拍失真。 五、交扰调制失真在微波功率放大器中，由于非线性作用，一个信号的调制被转换到另一个信号上的现象被称为交扰调制。当输入信号是上式中包含一个无调制载频和一个幅度调制信号，调制频率是展开上式，有由上式看出，一个调制信号和一个调制信号可以被 盾成四个独立的信号，写成其中，在输出信号中，交扰调制失真出现在处，由于这就可以把交扰调制边带 看成是四个信号（）引起的三拍失真分量，从式（6-18）和（6-19）可以看出，它包含下述两种情况。 六、调幅一调相转换1、调幅一调相效应分析大信号通过微波功率放大器时，输出信号会产生相移，相移大小随输入信号功率的大小而变化，这种现象称之为调幅一调相效应。微波功率放大器可以看成是一个三阶非线性系统，它的载波输出信号同时含有一阶及三阶成分式中基波信号的角频率；k1和k2非线性系统的一阶和三阶系数；A基波输入信号幅度。如果电路中包含容性非线性元件，则一阶和三阶系数之间就有相位差（既不是0，也也不是180 ）。由上式看出，载波输出信号的相位与输入信号幅度有关。显然，调幅一调相效应是增益压缩直接表现的结果，增益压缩得越厉害，调幅一调相效应就越强，电路进入饱 和状态后，调幅一调相效应将非常严重。在通信系统及图像传输系统中，调幅一调相效应的存在，会使群时延失真，微分相位，微分增益和交调失真变坏。因此希望尽可能减小功率放大器的调幅调相效应。七、谐波失真当信号增加到一定程度，功率放大器因工作非线性区而产生一系列谐波。对于窄带 功率放大器，这些谐波都不在通带内，用滤波器很容易滤掉这些谐波。通常可以谐波降到60dBc以下（相对基波信号），因此这些谐波不会使系统性能变坏。对于宽囊功率放大器，这些谐波正好在信号通带 内，用滤波器就不能滤掉这些谐波。这当然，只要直流工作点选得合适，电路拓扑结构选 得合理，也可以适当减小谐波成分，但减小是有限的。谐波失真大小由下式计算式中HDnn次谐波失真；Ps基波信号输出功率；Pnn次谐波输出功率。基于上述分析，窄带功率放大器的谐波失真指标可以好到-60dBc；而宽带 功率放大器的谐波失真指标都很差，大约在-20dBc左右，有的可能还要差。通常在设计小功率放大器（几二毫瓦至几百毫瓦）时，可以不考虑谐波失真这项技术指标，但是在大功率放大器中必须考虑，并应尽量避免它对其他电子系统的干扰。在接收和发射单元相互靠近的小型化电子系统中，谐波失真也必须考虑。八、增益平坦度增益平坦度是一项普通指标，它说明功率放大器增益在一定频率范围内的变化大小。如果能控制增益随频率的变化是玉可以使增益平坦度较好。不同系统对它的要求也不一样，对于宽系统，由于实现的难度大，在设计时必须要求合理。增益平坦度应该是50负载情况下定义，面组成实际系统的部件存在不同程度的反射。因此，实际系统并不是理想50 系统，故实际系统的增益平坦度比各个部件测出的增益平坦度要大。九、寄生杂波寄生杂波是系统中不需要的那些信号，是功率放大器放大过程中引起的一种信号失真，它与输入信号不是谐波关系，如图所示。这些寄生杂波绝大部分是在高驱动电平或输入与输出严重失真配时出现的。仔细地设计和充分地试验就可以把寄 生杂波减到最小，但是要把所有可能引起寄生杂波的条件合在一起去同时检验是不可能的。例如，滤波器在工作频 带 内匹配性能较好，同时在带外恰好是严重失配，这种情况就比较复杂，也不好模拟。如果怀疑系统存在寄生杂波，最好先检查功率放大器。第八章 微波混频器混频器是微波集成电路接收系统中不可少的部件。不论是微波通信、雷达、遥控、遥感，还是侦察与电子对抗 ，以及许多微波测量系统，都必须把微波信号用混频器降到中低频来进行处理。至今各种微波系统中几乎都采用了集成电路溻频器，主要是因为集成式混频器体积小，性能稳定可靠，设计技术成熟，而且结构灵活多样，可以适合各种特殊应用。微波集成混频器基本上采用肖特基势垒 二极管做变频元件。虽然二极管混频必不可免有变频损耗，但是它结构简单，便于集成化，工作频带宽，可能达到几个甚至几十个倍频程。它的噪声较低，较好的二极管混频器，考虑交频损耗在内的总噪声系数可低达4-5dB；而且工作稳定，动态范围大，不容易出现饱和。所以微波集成电路系统基本上以二极管混频 为主导。在有些特殊应用领域，有时采用场 效应三极管或双栅场 效应管做混频器，这种混频器能给出大约05dB的变频增益。但是电路较复杂，需要直流代价供电，稳定性也不如二极管混频好。从电路结构形式来看，混频器有单管式混频，两管平衡式混频和多管式混频。单管混频只用一支二极管，结构简单，成本低，但噪声高，抑制干扰能力差，在要求不高处可以采用；平衡式混频器借助于平衡电桥 可使本机振荡器的噪声抵消，因而噪声性能得到改善，电桥又使信号与本振之间达到良好隔离，因此平衡混频器是最普遍采用的形式；还有多二极管的混频器，比如管堆式双平衡混频器，镜频抑制混频器等是为特殊要求而设计系统配置处理不当，仍可能造成不良影响。这将在混频器指标中详述。一、噪声系数和等效噪声温度比 噪声系数的基本定义已在第四章低噪声放大器中有过介绍。但是混频器中存在多个频率，是多频率多端口。为适应多频多端口网络噪声分析，噪声系统定义为下式，此处的表示方式不仅适用于单频线性网络，也可适用于多频响应的外差电路系统，即式中Pno当系统输入端噪声温度在所有频率上都是标准温度To=290K时，系统传输到输出端的总噪