《微波固态电路》全册配套课件.ppt

1、微波固态电路全册微波固态电路全册配套课件配套课件23电路：电路：从路的角度解决电磁问题。从路的角度解决电磁问题。微波固态电路微波固态电路 固态：固态：电路采用的元器件性质，明确为半导体器件。电路采用的元器件性质，明确为半导体器件。（电真空器件：（电真空器件：利用电子在真空中运动及与外围电路相互作利用电子在真空中运动及与外围电路相互作用产生振荡、放大、混频等各种功能，如速调管、行波管、磁用产生振荡、放大、混频等各种功能，如速调管、行波管、磁控管、返波管、回旋管、虚阴极振荡器等）控管、返波管、回旋管、虚阴极振荡器等） 微波：微波：特指电路的工作频率范围。特指电路的工作频率范围。4低噪放(LNA)L

2、ow noise amplifier混频器Mixer振荡器Oscillator检波器Detector倍频器Multiplier 开关Switch5性质是：专业课性质是：专业课先修课程：先修课程：射频电子线路射频电子线路或或模拟电路基础模拟电路基础，电磁场与波电磁场与波，微波技术与天线微波技术与天线或或微波技术基础微波技术基础 本课程讲解以本课程讲解以微带电路为主微带电路为主的微波固态电路的微波固态电路的基本工作原理，基本方法和工程设计。的基本工作原理，基本方法和工程设计。6讲授内容讲授内容： （32学时）学时）第一第一章：引言（章：引言（1学时）学时） 第二第二章：微波集成电路基础（章：微波集

3、成电路基础（5学时）学时） 第三章：微波晶体管放大器（第三章：微波晶体管放大器（10学时）学时） 第四章：微波混频器和检波器（第四章：微波混频器和检波器（5学时）学时） 第五章：微波倍频器（第五章：微波倍频器（4学时）学时） 第六章：微波振荡器（第六章：微波振荡器（2学时）学时） 第七章：微波控制电路（第七章：微波控制电路（5学时）学时）有调整，仅供参考有调整，仅供参考7第一章第一章引引 言言8主要内容主要内容l微波/毫米波频段划分l微波电路的发展l微波集成电路的应用91、微波频段划分、微波频段划分微波：微波： 泛指电磁谱中波长从泛指电磁谱中波长从1m到到1mm，或者是，或者是频率范围在频率范

4、围在300MHz到到300GHz的一个特殊频段。的一个特殊频段。细分为：细分为： VHF，P，L，S，C，X，Ku，K，Ka，U， V， E， W，0.10.3 0.31 12 24 48 812 1218 1826 2640 4060 5075 6090 75110中波中波短波短波超短波超短波分米波分米波厘米波厘米波 毫米波毫米波 亚毫米波亚毫米波红外红外波长波长频率频率1km100m10m1m10cm1mm0.1mm 300kHz3MHz 30MHz 300MHz 3GHz30GHz 300GHz 3000GHz10大气窗口大气窗口传播衰减小传播衰减小中心频率：中心频率：35GHz，94G

5、Hz，140GHz，220GHz带宽：带宽： 16GHz，23GHz，26GHz，70GHz112、微波电路的发展、微波电路的发展 微波电路的发展始于第二次世界大战，经过半个微波电路的发展始于第二次世界大战，经过半个多世纪的发展。多世纪的发展。 微波系统的功能采用的微波器件电路形式从单一的目标检测从单一的目标检测雷达雷达(军用军用)发展到通信及其它领域（民用等）发展到通信及其它领域（民用等）从电真空器件，发展到固态器件。从电真空器件，发展到固态器件。从波导立体电路，发展到混合集成电路从波导立体电路，发展到混合集成电路(HMIC)单片集成单片集成(MMIC)优点：优点：系统寿命长；体积小重量轻；

6、成本低。系统寿命长；体积小重量轻；成本低。优点：一致性好；优点：一致性好； 可批量生产；可批量生产； 成本低。成本低。12尺寸：尺寸：8585* *56mm (HMIC)56mm (HMIC)S S波段低噪声放大器波段低噪声放大器尺寸：尺寸：15401540* *710710m m60GHz60GHz低噪声放大器低噪声放大器(MMIC)(MMIC)(MMIC)13 为了加强无线电使用管理，国际电讯联盟（为了加强无线电使用管理，国际电讯联盟（ITU）制）制定了统一的标准，规定了不同频段开展不同的业务。定了统一的标准，规定了不同频段开展不同的业务。比如：比如：微波中继：微波中继：4GHz ; 星地

7、通信：星地通信：4GHz，12GHz，23GHz手机（手机（0.9/1.8GHz; 3G:电信电信1920-1935MHz和和2110-2125MHz；移动移动1880-1900MHz和和2010-2025MHz；联通；联通1940-1955MHz和和2130-2145MHz）蓝牙（蓝牙（2.4022.480GHz ）、对讲机（民用）、对讲机（民用409-410MHZ ） 微波系统广泛应用于雷达，通信，导航，精确制导，微波系统广泛应用于雷达，通信，导航，精确制导，遥控等等，我们身边的电子产品几乎毫无例外的离不开微波。遥控等等，我们身边的电子产品几乎毫无例外的离不开微波。例如：卫星通信，移动通信

8、，无线接入，射频无线识别，例如：卫星通信，移动通信，无线接入，射频无线识别，智能交通，汽车防撞，微波加热智能交通，汽车防撞，微波加热/干燥等干燥等2、微波集成电路的应用、微波集成电路的应用14卫星高频头（卫星高频头（LNB）C波段波段3.39.2GHz LNA BPF Mixer IF Amp. 9501450MHz35dB -2dB -6dB 30dB这个简单系统包括：这个简单系统包括：LNA，BPF，Mixer，IF Amp.总增益：总增益： 5560dBLO天线：天线：6m LO: DRO介质稳频介质稳频FET振荡器振荡器 噪声温度：噪声温度：20K 低噪声器件：低噪声器件：FETHEM

9、T；价格：；价格：1000元以上元以上1m100元。元。PLO 锁相源锁相源15目前达到的最高水平目前达到的最高水平： 4GHz / 6GHz /8 GHz / 40 GHz / 60 GHz / 95 GHz 0.3dB 0.6dB 0.8dB 1.5dB 2.0dB 3.0dB 目前，在毫米波的高端，由于技术的禁运，国内还没有目前，在毫米波的高端，由于技术的禁运，国内还没有LNA，主要以混频主要以混频中放组件作为接收中放组件作为接收 (直接混频接收直接混频接收)。微波微波LNA: 冷参量放大器冷参量放大器HEMT LNA(常温常温)的过程的过程16第二章第二章 微波集成电路基础微波集成电路

10、基础17主要内容主要内容l微带电路及其不连续性微带电路及其不连续性l阻抗变换阻抗变换lWilkinson功分器功分器l耦合器耦合器182.1 微波集成传输线微波集成传输线MIC常用的微波传输线常用的微波传输线(transmission line ) 微带金属膜 电力线 介质基片 金属底片 空气 （a）标准微带）标准微带 （b）倒置微带）倒置微带 （c）悬置微带）悬置微带 Microstrip Suspended microstrip （d）带线）带线 Stripline （e）槽线）槽线Slot line19（f）共面波导）共面波导 Coplanar waveguide （g）鳍线）鳍线 Fi

11、n lineMIC常用的微波传输线常用的微波传输线20微带线微带线l加工方便加工方便，可用照相印刷工艺，可用照相印刷工艺l易于易于与其它无源和有源器件与其它无源和有源器件集成集成l主要传播主要传播准准TEM模模 接地金属板 接地金属板 介质基片 接地金属板 微带导体 （a）同轴线）同轴线(Coaxial line ) （b）带线）带线 （c）微带线）微带线可理解为由同轴线演变而成：可理解为由同轴线演变而成：特点：特点：使之成为微波集成电路中最流行的平面传输线使之成为微波集成电路中最流行的平面传输线21微带线微带线也可看作是由双导线演变而来，其演变过程如下：也可看作是由双导线演变而来，其演变过程

12、如下：导带介质基片接地横截面三维图w22微带线的主模微带线的主模 传播方向的场分量很小，可忽略。此时可以看传播方向的场分量很小，可忽略。此时可以看成微带线传输成微带线传输TEM波，但它与同轴线中的波，但它与同轴线中的TEM有所区别，所以叫做有所区别，所以叫做,2rW h 微带线中的介质是由空气和介质基片组微带线中的介质是由空气和介质基片组成的混合介质系统，因此，在电磁波的成的混合介质系统，因此，在电磁波的传输传输方向存在电磁分量方向存在电磁分量。时时当当:23rpccvprcvcpvrepcv微带线的相速微带线的相速phase velocity 当传输线全部由空气填充时当传输线全部由空气填充时

13、当传输线全部由介质填充时当传输线全部由介质填充时当传输线部分填充介质时当传输线部分填充介质时 此时，传输线相速此时，传输线相速re它表示它表示：在微带线尺寸和特性阻抗不变的情况下，用一均匀：在微带线尺寸和特性阻抗不变的情况下，用一均匀介质完全填充微带周围空气以取代微带的混合介质（空气介质完全填充微带周围空气以取代微带的混合介质（空气介质和介质基片介质和介质基片混合介质）。这种假设的均匀介质的混合介质）。这种假设的均匀介质的介电常数介电常数定义为有效相对介电常数。定义为有效相对介电常数。edielectric constant 24微带线的特性阻抗、波导波长微带线的特性阻抗、波导波长这里：这里：

14、 为为空气空气微带的微带的特性阻抗特性阻抗 为为空气空气中的中的波长波长0CZ000ccrereZZg 此时，只需计算此时，只需计算 和和 ，即可得到微带线特，即可得到微带线特性参量。性参量。 0CZre 计算计算 和和 的典型方法，是利用电磁理论和的典型方法，是利用电磁理论和复变函数方法求解。复变函数方法求解。目前用软件计算很方便目前用软件计算很方便。0CZre传播波长和微带特性阻抗都随频率变化，称为传播波长和微带特性阻抗都随频率变化，称为色散色散。一般情况下，频率低于一般情况下，频率低于4 45GHz5GHz时，色散现象不严重。时，色散现象不严重。characteristic impeda

15、nce Waveguide wavelength 定性结论：定性结论：1）特性阻抗为一个实数）特性阻抗为一个实数；2) 当当W/h常数；常数；;pcrZgvh=0.25mm， r 2.22，Zc50 ，W0.76mmh=0.25mm， r 9.6，Zc50 ，W0.25mm3) 当当 r 常数；高阻抗线窄，低阻抗线宽常数；高阻抗线窄，低阻抗线宽h=0.25mm， r 9.6，Zc71 ，W0.11mmW为微带线宽度，为微带线宽度，h为介质基片厚度。为介质基片厚度。26微带线的损耗微带线的损耗即由即由导体损耗导体损耗、介质损耗介质损耗和和辐射损耗辐射损耗三部分组成。三部分组成。cdr c导体的衰

16、减系数，与微带线的几何尺寸有关，取决于金导体的衰减系数，与微带线的几何尺寸有关，取决于金属导体电导率和表面不平度，属导体电导率和表面不平度，是微带线的主要损耗是微带线的主要损耗。减小的方法减小的方法： 选择表面电阻率小的材料，如银，铜，金等选择表面电阻率小的材料，如银，铜，金等 导带厚度为趋肤深度的导带厚度为趋肤深度的35倍；倍； 提高导带表面光洁度。提高导带表面光洁度。27 介质损耗系数。介质损耗系数。电波在介质中传播的损电波在介质中传播的损耗，取决于基片材料耗，取决于基片材料其中其中 为介质的损耗正切角。是减少介质损耗为介质的损耗正切角。是减少介质损耗的根本（选用的根本（选用 小的介质材料

17、）小的介质材料） (/)dgdB mtgtgtrrrhr，；，；辐射损耗，由微带电磁场结构的开放性引起，辐射损耗，由微带电磁场结构的开放性引起，与微带线的几何尺寸和特性参数相关。与微带线的几何尺寸和特性参数相关。d28微带尺寸的选择微带尺寸的选择 微带线传输准微带线传输准TEM波，存在高次模式。波，存在高次模式。为减少高次模式的影响，微带线的工作为减少高次模式的影响，微带线的工作频率要在各高次模截止频率以下：频率要在各高次模截止频率以下：要求：要求：minminmin,4122TEhWhrrr型表面波 波导型TE波 波导型TM波 min为最短工作波长。为最短工作波长。微带线中始终存在微带线中始

18、终存在TM型表面波模（截止波长为无穷大）型表面波模（截止波长为无穷大）l只有在某一频率上，只有在某一频率上，TM表面波模和准表面波模和准TEM波主模相速接近时，波主模相速接近时，才产生强烈耦合，激发起才产生强烈耦合，激发起TM 表面波。表面波。29悬置式微带线和倒置式微带线悬置式微带线和倒置式微带线 特点：特点：l比微带Q值高值高（5001500）；l阻抗阻抗(impedance )范围宽范围宽；l适用于滤波器滤波器Filter。 （b）倒置微带）倒置微带 （c）悬置微带）悬置微带30带带 线线 在无源微波集成电路使用最广泛的传输线之在无源微波集成电路使用最广泛的传输线之一。一。主模是主模是T

19、EM。槽槽 线线l容易实现高阻抗线、短路电路；容易实现高阻抗线、短路电路；l传播模式基本是传播模式基本是横电波（横电波（TE）。31共面波导共面波导 特点特点： 金属导体位于同一平面内（即在衬底的上表金属导体位于同一平面内（即在衬底的上表 面）；面）； 优点优点： 安装安装集总参数元件很集总参数元件很方便方便（不须在衬底上开孔或开（不须在衬底上开孔或开 槽）槽） ，无论并联或串联形式（有源和无源），无论并联或串联形式（有源和无源） 设计灵活；设计灵活； 准准TEM模模32鳍鳍 线线 特点特点：在矩形金属波导：在矩形金属波导E面嵌入槽线所组成的一面嵌入槽线所组成的一 种复合结构；种复合结构； 由

20、由TE和和TM模式组成的混合模模式组成的混合模； 优点优点：混合集成、高混合集成、高Q、高频段、高频段； 分类分类： 单面鳍线、双面鳍线、对脊线单面鳍线、双面鳍线、对脊线 单面对称单面对称单面不对称单面不对称33基片介质与导体材料基片介质与导体材料l要求要求：微波损耗小、表面光滑度高、硬度强、韧性好、价微波损耗小、表面光滑度高、硬度强、韧性好、价格低。格低。l最最常用常用的基片介质是的基片介质是聚四氟乙烯纤维聚四氟乙烯纤维(环氧树脂环氧树脂)板板、氧化氧化铝陶瓷板铝陶瓷板和和石英基片石英基片。l聚四氟乙烯纤维聚四氟乙烯纤维环氧树脂板环氧树脂板价格便宜价格便宜，双面用热压法，双面用热压法覆铜覆铜

21、，可直接光刻腐蚀电路，可直接光刻腐蚀电路，加工简便加工简便，应用广泛。，应用广泛。l氧化铝陶瓷板氧化铝陶瓷板的的介质损耗小介质损耗小，表面光洁表面光洁，介电常数高介电常数高，制，制作的作的MIC小巧精致。但是氧化铝陶瓷板需真空镀膜，小巧精致。但是氧化铝陶瓷板需真空镀膜，工艺工艺复杂复杂，成本高成本高。对于对于MIC来说，来说，最常用的金属材料只是铜与金最常用的金属材料只是铜与金。34微带电路的微带电路的设计与制作设计与制作l加工概要l电路设计和工艺加工的要点35加工概要加工概要l基片处理基片处理研磨抛光，镀膜(蒸发、电镀)(陶瓷和石英) 金属层减薄（软基片）l版图制作版图制作图形放大，照相制版

22、l光刻光刻涂感光胶（甩胶），曝光，腐蚀l孔化孔化与电镀电镀l元件焊接焊接无源元件，有源元件36电路设计和工艺加工的要点电路设计和工艺加工的要点l微带线边沿电场向两侧延伸，电场延伸距离大约等于2倍基片厚度。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。 l侧向腐蚀裕量：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。 l接地通孔：用金属化通孔实现，孔直径大于线宽。 l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(S参数参考面)。l管芯和梁式引线器件焊接： 勿用镊子直接动单片勿用镊子直接动单片 金锡合剂，热压焊。金锡合剂，热压焊。3

23、72.2 微波单片集成电路微波单片集成电路l概述l微波单片集成电路材料和加工技术l微波单片集成电路常用的元器件l微波单片集成电路工艺过程lMMIC技术及应用 有源元件和无源元件都制作在一块砷化镓（GaAs）衬底上的电路称为微波单片集成电路MMIC（Monolithic Microwave Integrated Circuit）38微波单片集成电路微波单片集成电路材料和加工技术材料和加工技术 lGaAs材料： 电子迁移率高，其电子迁移率是硅的6倍 漂移速度大，是硅的2倍 寄生电阻小，所以器件速度快； lGaAs单晶生长：lGaAs外延生长： 39微波单片集成电路微波单片集成电路常用的元器件常用的

24、元器件l有源有源(active)元件元件绝大多数是砷化镓(GaAs)金属半导体势垒场效应管（简称为MES FET或FET）; 毫米波频段则是采用高迁移率晶体管（HEMT）和异质结晶体管（HBT）; 正研究基于InP材料的MMIC，可将半导体光学器件如激光器和微波器件结合在一起，这对光电集成电路的发展以及光通信的发展会起重要作用。40无源平面元件无源平面元件（1）平面电感平面电感(inductor) A I A W S （a）方形 I I （b）六边形 （c）圆形41（2）平面电容平面电容(capacitance ) （a）叉指式 I GaAs d I L W （b）平板叠层式42（3）电阻电阻

25、(resistance ) 半导体电阻半导体电阻 利用在离子注入沟道有源层时形成的N+或N-层，然后光刻出电阻的平面尺寸，通过腐蚀材料的厚度把阻值调到所需值。 薄膜电阻薄膜电阻 采用淀积NiCr（镍-铬）薄膜，然后光刻成要求的图形，待做好欧姆接触后需进行热处理，以使NiCr膜的电阻率达到稳定。两者比较两者比较：薄膜电阻薄膜电阻具有较高的精度和热稳定性，被广泛采用。但是在设计过程中应该考虑到趋肤效应，电阻值是频率的函数。43（4）其它特种元件）其它特种元件l空气桥和通孔空气桥和通孔(via) ： 功能功能：元件互连及接地。 影响影响：寄生效应，视为一元件看待。 等效等效： 空气桥可视为一段传输线

26、； 通孔简化为一段终端短路的短截线。44微波单片集成电路工艺过程微波单片集成电路工艺过程l基本工艺技术（1）光刻：精度亚微米（2）离子注入（3）薄膜淀积（4）腐蚀（5）电镀45MMIC技术及应用技术及应用l适用频率范围适用频率范围：分米波的高端及厘米波和毫米波（包括亚毫米波）l优点优点：（1）体积小，重量轻，成本低体积小，重量轻，成本低； 与现有的微波混合集成电路（HMIC）比较，体积可缩小90%99%，成本可降低80%90%。（2）便于批量生产，一致性好便于批量生产，一致性好； 采用半导体批量加工工艺，一旦设计定型后可大批量生产； 电路在制造过程中不需要调整。（3）可用频率高，频带成倍加宽可

27、用频率高，频带成倍加宽； 避免了有源器件管壳封装寄生参量的有害影响，所以电路工作频率和带宽大大提高。（4）可靠性高，寿命长可靠性高，寿命长。 一般不需要外接元件，避免了内部元件的人工焊接，接点和互连线减少，整机零部件数大量减少，可靠性大大提高(可提高100倍)。462.3 微带电路的不连续性微带电路的不连续性Microstrip circuit discontinuityl微波电路不连续性l微带元件47微波电路不连续性微波电路不连续性l不连续性元件不连续性元件： 开路、短路线、导体间的间隙、阻抗变换器、直角和非直角的弯头、T形或十字交叉结寄生电抗寄生电抗l对电路的影响对电路的影响： 窄带电路中

28、频率偏移频率偏移； 输入输出电压驻波比变差驻波比变差； 引起宽带IC电路增益起伏较大增益起伏较大； 多功能电路中的接口受影响接口受影响； 由于不连续性使电路性能变坏而使成品率降低成品率降低； 在高增益放大器中造成表面波表面波和辐射耦合辐射耦合引起振荡。48 典型的微带线不连续性典型的微带线不连续性（a）开路端Open耦合线滤波器49（b）导体间的间隙）导体间的间隙导体间的间隙Gap50（c）宽度跃变）宽度跃变阻抗变换器impedance transformer 51（d）直角弯）直角弯帯切角和不带切角52（e）T型结型结53（f）交叉结）交叉结低阻抗短线54（g）半圆短路线）半圆短路线55（h

29、）扇形分支）扇形分支56 C C L （a）微带线段 （b）线段等效电路 Zop op Zop （c）终端开路分支 （d）开路分支等效电路微带元件微带元件 Zsh op Zsh （e）终端短路分支（f）短路分支等效电路不连续性纵向很短短时，等效为单个电抗单个电抗；不连续性纵向较长长时，等效为 或或T型网络型网络。57微带线不连续性分析方法微带线不连续性分析方法l电磁场全波分析电磁场全波分析 用电磁场数值解法求出不连续性在不同频率时的S参数，把不连续性当做一个用S参数矩阵代表的微波网络，包含了激发的多种高次模组合。 主要的电磁场数值解法有等效波导场匹配法、谱域法、直线法、有限元法、矩量法等。 优

30、点：精度高优点：精度高； 缺点：速度慢缺点：速度慢l等效电路分析等效电路分析 根据电磁场数值解的S参数矩阵，或者经验公式（拟合公式）得出等效电路模型中电感、电容、电阻等； 优点：计算速度快；优点：计算速度快； 缺点：精度降低。缺点：精度降低。582.4 阻抗变换阻抗变换 Impendence conversionImpendence transformationl匹配(match)网络位于负载负载(load)和主传输线之间和主传输线之间；l匹配网络一般是无耗无耗(lossless )的，避免不必要的功率损耗；l通常设计成向匹配网络看去输入阻抗是输入阻抗是Z0。l在匹配网络和负载之间有多次反射多

31、次反射。 Z0 匹配网络 负载 ZL 用于匹配负载到传输线的网络 59阻抗匹配的好处阻抗匹配的好处l当负载与传输线匹配时（假定信号源是匹配的），可传送最大功率，并且在馈线上功率损耗最小馈线上功率损耗最小。l对阻抗匹配灵敏的接收部件，如天线、低噪声放大器等，可改进系统的信噪比改进系统的信噪比。l在功率分配网络中，诸如天线阵馈电网络，阻抗匹配可降降低振幅和相位误差低振幅和相位误差。60实现匹配需考虑的几个方面实现匹配需考虑的几个方面l只要负载阻抗有非零实部非零实部，就能找到匹配网络；l考虑因素因素：复杂性、带宽、可行性和可调性；l复阻抗（器件的输入、输出阻抗）匹配到实阻抗匹配到实阻抗（源、负载或传

32、输线的特性阻抗）。61l放大器最佳噪声匹配 l最大功率增益l无反射匹配l匹配网络的电路形式： 集总参数或分布参数元件。outMoptsopt或outM1ZZ图2.12inM0ZZoutoptoutopt()()ZZ in0in()(0)ZR 输入 匹配电路 Z1 62并联导纳型（或串联阻抗型）匹配网络并联导纳型（或串联阻抗型）匹配网络 jb R0 l1 l2 1 2 ZL 1 2 l1 l2 jb ZL R0 （a）输入匹配电路（b）输出匹配电路微带分支线的终端开路或短路63l分支线的终端常用开路型常用开路型l如所需并联导纳为电感性电感性可用短路型短路型，缩短长度l实现微带的短路，要在基板上打

33、通孔通孔，孔孔壁金属壁金属化化：结构复杂，精度差。R0 jb 1 2 l1 ZL l2 短路分支线并联导纳式匹配电路64l用作两级电路间的匹配电路l并联导纳值一定时，后者稍短或稍细。l后者存在两个谐振频率 l1 l2 jb l3 l1 l2 l3 l4 2 b j 2 b j T型与十字型并联导纳式匹配电路T型并联导纳和十字并联双分支线型并联导纳和十字并联双分支线65阻抗变换型的匹配电路阻抗变换型的匹配电路2 1 G0 YL jb 4 g 2 1 G0 4gG 2 1 j b 4gj b 2 1 4g主传输线与负载匹配，主传输线与负载匹配，用四分之一波长用四分之一波长 1 2 l Z 1 2

34、l Z l Z 级间匹配，级间匹配，用四分之一波长用四分之一波长主传输线与负载匹配主传输线与负载匹配66微带电路拓扑结构的选择原则微带电路拓扑结构的选择原则(1)微波的高频段，如工作在X频段或更高，宜选用微带阻抗跳变式的阻抗变换器。 不连续性计算容易、精度高、修正量小； 频率高时，微带线段物理尺寸往往是既短又宽，T型结构高次模影响大，计算精度下降。（2）对于微波低频端，如S频段或更低端，宜选用分支微带结构。 阻抗跳变式物理尺寸较长，阻抗变换结构电路尺寸过长。 T型结构不连续性相对小，计算误差影响减弱。67（3）当微波管输入阻抗为容性容性时，匹配电路第1个微带元件宜选用电感性微带单元电感性微带单

35、元； 当微波管输入阻抗为感性感性时，宜用电容性电容性微带单元微带单元。 电感性微带元件电感性微带元件包括终端短路分支线和高阻抗窄微带级联线段； 电容性微带元件电容性微带元件包括终端开路分支线和低阻抗宽微带级联线段。682.5 功率分配器和耦合器功率分配器和耦合器 power divider couplerl用途用途：完成功率分配分配或功率合成合成。l在功率分配器中，一个输入信号被分成两个或多个较小的功率信号。l功分器通常采用等分(3dB)形式，但也有不等分的情况。l耦合器可以是有耗或无耗三端口器件有耗或无耗三端口器件，或者是四端口器件四端口器件。三端口网络采用T型结或其他功分形式，而四端口网络

36、采用定向耦合和混合网络形式。l定向耦合器定向耦合器则可以设计为任意功率分配比，但混合网络一般是等功率分配。混合结在输出端口之间有90(正交)或180相移。69Wilkinson功率分配器功率分配器 1 Z0 2Z0 4gA Z0 2 3 02ZB Z0 微带等功分Wilkinson功分器 70 3dB功分器场仿真图功分器场仿真图1端口2端口3端口中心频率为3.70GHz71 3dB功分器场功分器场S参数仿真结果参数仿真结果中心频率为3.70GHz72l带宽带宽约有一个倍频程，在大于一个倍频的带宽内可看到合适的平坦响应特性。只是在频带两端，负载阻抗影响了隔离度。l在功分阶梯前面加入一个变换器变换

37、器，可改善输入驻波比（VSWR）。l采用多节多节来展宽频带。有可能获得十倍频程带宽，每节由一些四分之一波长线段组成。节数越多，得到的带宽越宽，隔离度也越大。73 1 Z0 Z3 3 R 2 Z2 ZT2 ZT3 l l 不等分不等分Wilkinson功分器功分器l若微带不等分Wilkinson功分器端口2和端口3之间的功率比是 ，则采用如下的设计公式： 23031KZZK22230(1)ZK ZZKK01RZKK232PKP20TZZK/4gl30/TZZK74N路路Wilkinson功分器功分器 0ZNZ0 0ZN0ZN0ZNZ0 Z0 Z0 Z0 Z0 Z0 Z0 Z0 4g微带N路等分W

38、ilkinson功分器75耦合器耦合器l直接耦合式定向耦合器l分支线耦合器lLange耦合器l混合环耦合器76l四端口器件四端口器件l常用的表示符号和端口定义。l耦合因数耦合因数为 。l传输系数传输系数为 。l理想情况下，没有功率传送到端口4（隔离端口）。直接耦合式定向耦合器直接耦合式定向耦合器213S212S 输入 隔离 输入 隔离 1 4 1 4 2 3 2 3 直通 耦合 直通 耦合 定向耦合器的两种常用表示符号和常规功率流向 77定向耦合器常用表征参量定向耦合器常用表征参量3110lg20lgdBPSP 13耦合度=C=3110lg20lgdBSPPS3441方向性=D=4110lg2

39、0lgdBPSP 14隔离度=I=耦合端口和非耦合端口间的方向性为：耦合端口和非耦合端口间的方向性为：D=I-C 输入 隔离 输入 隔离 1 4 1 4 2 3 2 3 直通 耦合 直通 耦合 78l微带电路定向耦合器。l与匹配变换器和功分器一样，可以采用多节结构来增加带宽。 耦耦合合 隔隔离离 输入 直通 4g微带定向耦合器79定向耦合器场仿真图定向耦合器场仿真图80分支线耦合器分支线耦合器 输入 1 隔离 4 Z0 Z0 Z0 4g02ZZ0 Z0 Z0 2输出 3输出 02Z81l也称为分支电桥，其直通和耦合臂的输出之间有90相位差。l功率等分的3dB耦合器，制作容易制作容易，结构方便结

40、构方便（它的输出端口位于同一侧，因而结构上易于同半导体器件结合，构成如平衡混频器、移相器和开关等集成电路）。l3dB分支线耦合器与3dB Lange耦合器均是正交正交混合网络混合网络(输出有输出有90 相位差相位差)，其基本工作原理均相同。 输入 1 隔离 4 Z0 Z0 Z0 4g02ZZ0 Z0 Z0 2输出 3输出 02Z82微带微带3dB分支线耦合器场仿真图分支线耦合器场仿真图83各参数各参数 输入 1 隔离 4 Z0 Z0 Z0 4g02ZZ0 Z0 Z0 2输出 3输出 02Z84Lange耦合器耦合器 为了达到3dB或者6dB的耦合系数，普通的耦合线耦合器的耦合太紧。 提高边缘耦

41、合的一种方法是将耦合的两条导体带分裂成指状，交替安置，构成交指型耦合器，也称为Lange耦合器. Lange耦合器 可分为折叠交指型耦合器和非折叠交指型耦合器。 通常设计成3dB耦合比，并有一个倍频程或更宽的带宽，易于用微带电路来实现。 两输出端口之间有90相位差，所以Lange耦合器是正交混合网络的一种类型。 优点优点：体积小；与双耦合线器件比较，它的线间距较大线间距较大；与分支线耦合器比较，它的带宽大带宽大得多。 缺点缺点：因为这些耦合线很窄，又紧靠在一起，加工难度加工难度大大。而要横跨在线之间的连接线加工也有难度连接线加工也有难度。 隔离 4 Z0 S Z0 2 直通 W 耦合 输入 1

42、 Z0 Z0 3 4g85（a）折叠交指型）折叠交指型 隔离 4 Z0 S Z0 2 直通 W 耦合 输入 1 Z0 Z0 3 4g86折叠交指型场仿真图折叠交指型场仿真图87（b）非折叠交指型）非折叠交指型 直通 输入 2 1 4 3 隔离 耦合 88非折叠交指型场仿真图非折叠交指型场仿真图89混合环耦合器混合环耦合器 4 1 2 3 0Z0Z0Z4g34g4g4g02Z02Z90混合环耦合器混合环耦合器/4g/4g/4g/43g2CZ,原理：对臂隔离 邻臂平分当臂输入P1=1时, 臂P3=0(传播路径相差 )信号抵消.臂P2=P4=1/2,2=4/2g 用途用途：反相( )型平衡混频器.

43、优点：工作带宽和隔离优于3dB分支线电桥 缺点：两平分臂被隔离臂分开，加公用偏压困难0180ZcZcZcZc电路形式：/2g0180当臂输入P3=1时, 臂P1=0(传播路径相差 )信号抵消.P2=P4=1/2,2-4=91微带微带3dB混合环耦合器场仿真图混合环耦合器场仿真图4端口2端口3端口1端口4输入，输入，2，3输出，输出，1被隔离被隔离（中心频率为11.7GHz）92微带微带3dB混合环耦合器混合环耦合器S参数参数图图（中心频率为11.7GHz） 4 1 2 3 0Z0Z0Z4g34g4g4g02Z02Z第三章第三章微波晶体管放大器微波晶体管放大器主要内容主要内容l微波双极结型晶体管

44、l微波场效应晶体管 l微波晶体管放大器的特性l小信号微波晶体管放大器的设计l微波晶体管功率放大器特性l用小信号S参数设计微波晶体管功率放大器 3.1 引引 言言 l分类分类： 晶体管器件分为结型晶体管和场效应晶体管。l用途用途：放大器、振荡器、开关、移相器、有源滤波器l结型晶体管结型晶体管包括双极结型晶体管和异质结双极型晶体管，它既可以是NPN结构，也可以是PNP结构。l材料材料：结型晶体管是使用硅、硅-锗、砷化镓和铟化磷材料制成。 l世界上第一只点接触三极管出现在1948年，随着半导体材料的不断改进和更新，晶体管的品种和性能取得了飞速发展。 3.1 引引 言言l20世纪50年代，三极管基本选

45、用的是锗材料，其性能和可靠性都受到很大限制，基本没有实用器件进入微波领域。 l20世纪60年代初，随着硅材料的改进和平面工艺的出现，硅三极管性能的改进不仅使其工作频率进入微波领域，而且还在不断提高。 l硅结型晶体管用作放大器，频率范围可达210GHz，而用在振荡器中时频率高达20GHz。l使用SiGe的结型晶体管可用于20GHz或更高工作频率。l异质结双极型晶体管（HBT）使用GaAs或InP材料，能在超过100GHz的频率工作。 3.1 引引 言言 场效应晶体管场效应晶体管（FET）可有多种类型：l金属半导体场效应晶体管（MESFET）l高电子迁移率晶体管（HEMT）l赝晶型高电子迁移率晶体

46、管（PHEMT）l金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）l金属绝缘物半导体场效应晶体管（MISFET）3.1 引引 言言lGaAs材料材料：载流子迁移率高、耐高温、抗辐射，适用于微波和高速器件。 lGaAs FET和和HEMT对低噪声放大器特别有用对低噪声放大器特别有用。 l硅硅微波晶体管主要用在S波段波段以下，价格便宜，可靠性高价格便宜，可靠性高。lGaAs FET 主要用在SK波段，价格较高价格较高，可靠性不如硅。lHEMT和和HBT主要用在毫米波主要用在毫米波。 3.2 微波双极结型晶体管微波双极结型晶体管 l双极晶体管（BJT）由两个相距很近的PN结组成，它包包含含电子和空穴两种

47、极性的载流子电子和空穴两种极性的载流子参与导电，所以称为双极晶体管（以区别单极管与FET），它是目前应用最广泛的半导体器件之一。l硅双极晶体管在X频段以下有优势，而AlGaAs/GaAs异质结双极晶体管（HBT）在超过200GHz上占优势。l工作原理和直流特性与普通三极管相似工作原理和直流特性与普通三极管相似。 微波硅双极性晶体管微波硅双极性晶体管 金属电极 B E B P+ P+ N+发射区 P 基区 N+衬底 C N 集电区 微波双极晶体管结构图 微波硅双极性晶体管微波硅双极性晶体管 金属电极 B E B P+ P+ N+发射区 P 基区 N+衬底 C N 集电区 双极晶体管共射极简化等效

48、电路 u结构尺寸大大缩小，基区宽度可小于0.1微米。u管壳有更小的分布参数。Cbc ,Cbe , Cce : 封装电容Lb ,Le , Lc : 封装电感0 : Ic/Ie （Vcb=0），发射极到集电极的电流传输系数（ =/（1+ ）晶体管的增益带宽积增益带宽积fT(即特征频率即特征频率)反映高频放大性能反映高频放大性能12Tecfec是发射极到集电极的总延迟时间 微波硅双极性晶体管微波硅双极性晶体管 提高微波双极晶体管增益带宽积的措施：l在功率容量和可靠性允许的条件下，应尽量减小发射极面积。 l可减小基区宽度WB，电极尺寸受工艺水平限制，同时也影响器件的承受功率。l另一种方法是恰当地选择基

49、区掺杂浓度与梯度来实现漂移场，加速载流子的运动速度。 微波硅双极性晶体管微波硅双极性晶体管 A A B B 微波双极晶体管交指型结构示意图 B 剖面AA u高频“集边效应”，使发射电流只集中在发射极的周界上，条带结构增加周长与面积比。u减小基区横向电阻，降低噪声。低噪声双极晶体管低噪声双极晶体管 l功率增益 GP ：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。 PoiGP P低噪声双极晶体管低噪声双极晶体管几种功率增益：l插入增益GT：即共射极接法的微波管，插入到特性阻抗为Z0的传输系统中所提供的功率增益。 （s= L= 0）l最大可用功率增益Gmax（或MAG）:它是指在晶体管输入

50、和输出完全共轭匹配条件下，晶体管所能提供的最大实用功率增益，即l最大单向功率增益Gu，它与Gmax的不同在于它忽略内部反馈，即假定S12=0时的最大功率增益为 221TGS221max12(1)SGKKS221221122(1)(1)uSGSS低噪声双极晶体管低噪声双极晶体管微波双极晶体管GT、Gmax、 Gu与频率的关系 规律规律：6dB/倍频程下降 低噪声双极晶体管低噪声双极晶体管l噪声系数噪声系数F ：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。 噪声来源噪声来源：l热噪声热噪声：主要由载流子的不规则热运动引起的，它的大小与晶体管本身欧姆电阻有关。l散粒噪声散粒噪声：由