射频(rf)器件基础知识培训课件

射频器件基础知识射频器件基础知识1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2024/6/152射频器件基础知识目录射频电路基本概念射频器件基础知识2023/8/92射频器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2024/6/153射频器件基础知识射频电路基础阻抗阻抗的定义2023/8/93射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2024/6/154射频器件基础知识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，对特征阻抗特征阻抗是微波传输线的固有特性，可以理解为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。2024/6/155射频器件基础知识特征阻抗特征阻抗是微波传输线的固有特性，可以理解为传输线上入2024/6/156射频器件基础知识2023/8/96射频器件基础知识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2024/6/157射频器件基础知识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2024/6/158射频器件基础知识反射系数与驻波系数反射系数：2023/8/98射频器件基础知阻抗匹配2024/6/159射频器件基础知识阻抗匹配2023/8/99射频器件基础知识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2024/6/1510射频器件基础知识射频电路基础噪声什么是噪声？2023/8/91什么是噪声？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，这是设计射频电子系统首要考虑的问题。2024/6/1511射频器件基础知识什么是噪声？信号中所有的无用成分都称为噪声干扰2023/8/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2024/6/1512射频器件基础知识噪声与干扰噪声可分为自然的和人为的噪声2023/8/912射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：2024/6/1513射频器件基础知识噪声因子与噪声系数噪声系数决定了接收灵敏度的好坏，是用来衡量射频电路基础S参数射频网络：S参数2端口网络的S参数2024/6/1514射频器件基础知识射频电路基础S参数射频网络：2023/8/91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2024/6/1515射频器件基础知识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S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，实部表示功率电平，虚部表示相位2024/6/1516射频器件基础知识S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，Y2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2024/6/1517射频器件基础知识2端口网络的S参数S11为放大器的输入反射系数2023/8/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2024/6/1518射频器件基础知识射频电路基础非线性失真什么是线性失真？2023/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2024/6/1519射频器件基础知识线性与非线性线性失真：信号波形的等比例的放大、缩小、相位移动非线性失真的主要指标非线性失真的主要指标IMD3IP3P1dB2024/6/1520射频器件基础知识非线性失真的主要指标非线性失真的主要指标2023/8/920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常用dBc表示，即交调产物与主输出信号的比2024/6/1521射频器件基础知识非线性失真的主要指标IMD3三阶交调（IMD3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，增益开始压缩，增益压缩ndB时的输入信号电平称为输入ndB压缩点2024/6/1522射频器件基础知识非线性失真的主要指标IP3、P1dBIP320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。2024/6/1523射频器件基础知识射频电路基础功率射频信号的功率常用dBm、dB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2024/6/1524射频器件基础知识目录射频电路基本概念射频器件基础知识2023/8/924射频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2024/6/1525射频器件基础知识射频放大器低噪声放大器2023/8/925射频器件基础知识低噪声放大器功能、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 MMICMESFET 与 HEMT/pHEMT2024/6/1526射频器件基础知识低噪声放大器功能、指标功能：分类2023/8/低噪声放大器内部结构以ATF-54143为例2024/6/1527射频器件基础知识低噪声放大器内部结构以ATF-54143为例2低噪声放大器工作原理MESFET工作原理：表面沟道型器件 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2024/6/1528射频器件基础知识低噪声放大器工作原理MESFET工作原理：20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2D2024/6/1529射频器件基础知识低噪声放大器工作原理HEMT/pHEMT工作原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P1dBOIP3噪声系数分类Si、SiGe、GaAs 与 InGaPHBT 与 MESFET2024/6/1530射频器件基础知识射频小信号放大器功能、指标功能：分类2023/射频小信号放大器内部结构以SGA-6486为例2024/6/1531射频器件基础知识射频小信号放大器内部结构以SGA-6486为例射频小信号放大器工作原理2024/6/1532射频器件基础知识射频小信号放大器工作原理2023/8/932射射频小信号放大器工作原理SGA-6486内部电路结构2024/6/1533射频器件基础知识射频小信号放大器工作原理SGA-6486内部电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P1dBOIP3Pout分类分离、单片集成、混合集成Si、GaAs、SiCLDMOS、VDMOS、BJT2024/6/1534射频器件基础知识射频大功率放大器功能、指标功能：分类2023/射频大功率放大器(LDMOS)内部结构2024/6/1535射频器件基础知识射频大功率放大器(LDMOS)内部结构202LDMOS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2024/6/1536射频器件基础知识LDMOS平面结构的扫描电镜照片(MRF9080)：射频大功射频大功率放大器内部结构单片集成 混合集成2024/6/1537射频器件基础知识射频大功率放大器内部结构单片集成2023/8射频大功率放大器(LDMOS)工作原理LDMOS剖面结构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2024/6/1538射频器件基础知识射频大功率放大器(LDMOS)工作原理LDMLDMOS 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2024/6/1539射频器件基础知识LDMOS 结构特点横向沟道2023/8/939射频器件基础LDMOS 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（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Cgs2024/6/1540射频器件基础知识LDMOS 结构特点P+Sinker2023/8/940射射频开关功能、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、SiPin管、MESFET、PHEMT、SOI MOSFET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2024/6/1541射频器件基础知识射频开关功能、指标功能：分类2023/8/94射频开关内部结构以AS123为例：2024/6/1542射频器件基础知识射频开关内部结构以AS123为例：2023/8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2024/6/1543射频器件基础知识射频开关工作原理并联型：插损小、隔离差2023射频开关工作原理“”型：各项指标较平均“T”型：隔离度高2024/6/1544射频器件基础知识射频开关工作原理“”型：各项指标较平均20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2024/6/1545射频器件基础知识射频开关工作原理浮地应用2023/8/945射射频衰减器功能、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2024/6/1546射频器件基础知识射频衰减器功能、指标功能分类2023/8/94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）2024/6/1547射频器件基础知识射频衰减器内部结构压控衰减器AT110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2024/6/1548射频器件基础知识射频衰减器工作原理压控衰减器原理2023/8/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2024/6/1549射频器件基础知识射频衰减器工作原理数控衰减器原理2023/8/射频衰减器工作原理数控衰减器原理2024/6/1550射频器件基础知识射频衰减器工作原理数控衰减器原理2023/8/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 ICLTCC2024/6/1551射频器件基础知识功分器、耦合器功能、指标功能分类2023/8/功分器内部结构威尔金森功分器磁芯材料功分器2024/6/1552射频器件基础知识功分器内部结构威尔金森功分器磁芯材料功分器20功分器内部结构GaAs IC功分器以PD09为例：2024/6/1553射频器件基础知识功分器内部结构GaAs IC功分器2023/8耦合器内部结构带状线复合材料GaAs IC2024/6/1554射频器件基础知识耦合器内部结构带状线复合材料GaAs IC20功分器、耦合器工作原理功分器工作原理耦合器工作原理2024/6/1555射频器件基础知识功分器、耦合器工作原理功分器工作原理2023/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2024/6/1556射频器件基础知识环形器、隔离器功能、指标功能分类2023/8/环形器、隔离器内部结构环形器的三种结构：2024/6/1557射频器件基础知识环形器、隔离器内部结构环形器的三种结构：202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2024/6/1558射频器件基础知识环形器、隔离器工作原理环形器与隔离器的区别20环形器、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2024/6/1559射频器件基础知识环形器、隔离器工作原理环行器结构与原理2023环形器、隔离器工作原理2024/6/1560射频器件基础知识环形器、隔离器工作原理2023/8/960射频混频器功能、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2024/6/1561射频器件基础知识混频器功能、指标功能分类2023/8/961射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BALUN也具有宽频程的优点2024/6/1562射频器件基础知识无源二极管混频器内部结构由二极管管堆、传输变压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2024/6/1563射频器件基础知识吉尔伯特混频器内部结构Gilbert 于196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2024/6/1564射频器件基础知识无源MESFET混频器内部结构管芯多采用了ME有源MESFET混频器内部结构MMIC MESFET 混频器2024/6/1565射频器件基础知识有源MESFET混频器内部结构MMIC MES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2024/6/1566射频器件基础知识混频器工作原理射频信号与本振信号通过混频器的相混频器工作原理上图分别为中频端口的时域与频域图形。2024/6/1567射频器件基础知识混频器工作原理上图分别为中频端口的时域与频域图滤波器（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2024/6/1568射频器件基础知识滤波器（声表、介质）功能、指标功能分类202声表滤波器内部结构2024/6/1569射频器件基础知识声表滤波器内部结构2023/8/969射频器件声表滤波器工作原理声表滤波器的工作原理电信号声表面波电信号2024/6/1570射频器件基础知识声表滤波器工作原理声表滤波器的工作原理2023介质滤波器内部结构连体式分体式2024/6/1571射频器件基础知识介质滤波器内部结构连体式2023/8/971射/4均匀阻抗介质谐振器结构特点终端短路同轴线特征阻抗均匀分布结构参数a 内孔半径b 外孔半径l 谐振器长度r 介质的相对介电常数C金属的电导率2024/6/1572射频器件基础知识/4均匀阻抗介质谐振器结构特点结构参数2023/8/972/4均匀阻抗介质谐振器1.特征阻抗2.无载Q值3.输入阻抗特性4.谐振条件(|Zin|+)5.并联谐振特性2024/6/1573射频器件基础知识/4均匀阻抗介质谐振器1.特征阻抗2.无载Q值3.输介质滤波器工作原理2024/6/1574射频器件基础知识介质滤波器工作原理2023/8/974射频器件介质滤波器与SAW滤波器的比较类别考察指标介质滤波器SAW滤波器中心频率(Hz)1081010107109插入损耗低高频率选择性低高功率容量大小体积大小中心频率高，插入损耗低，功率容量大，使介质滤波器成为目前3G基站设备射频信号滤波器的首选。3G终端设备由于对体积要求苛刻，则大部分采用SAW滤波器。类别考察指标B69812N2147A360B3669中心频率/带宽(MHz)2140/602140/60插入损耗/带内抖动(dB)1.5/0.53.0/1.0带外抑制(dB)351950MHz 381950MHz最大输入功率(dBm)3010LWH(mm)3.73.61.9 3.03.01.1 Better数据来源：EPCOS网站（）声表与介质的比较2024/6/1575射频器件基础知识介质滤波器与SAW滤波器的比较类别介质滤波器SAW滤波器中心2024/6/1576射频器件基础知识2023/8/976射频器件基础知识