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1、吴志毅吴志毅“任务任务2 2 无源器件射频无源器件射频特性、有源晶体管简介、特性、有源晶体管简介、传输线传输线”无源元件射频特性分析无源元件射频特性分析 在电子电路中经常提及无源器件与无源在电子电路中经常提及无源器件与无源元件概念。所谓无源器件就是无需能源的器元件概念。所谓无源器件就是无需能源的器件，主要作用是用来进行信号传输。比如：件，主要作用是用来进行信号传输。比如：电容、电感、电阻、耦合器、功分器、环形电容、电感、电阻、耦合器、功分器、环形器、隔离器、衰减器、连接器、插座、连接器、隔离器、衰减器、连接器、插座、连接电缆、印制电路板等。电缆、印制电路板等。无源元件主要是电阻类、电感类和电容

2、无源元件主要是电阻类、电感类和电容类元件。它们的共同特点是在电路中无需加类元件。它们的共同特点是在电路中无需加电源即可在有信号时工作。在低频电路中它电源即可在有信号时工作。在低频电路中它们所表现出自身应有的特性，而在射频应用们所表现出自身应有的特性，而在射频应用电路中电阻、电容、电感的特性是不具备电路中电阻、电容、电感的特性是不具备“纯纯”电阻、电容、电感的性质，这是在射频电阻、电容、电感的性质，这是在射频电路设计与分析过程中必须考虑的。电路设计与分析过程中必须考虑的。1.1.电阻（器）射频特性电阻（器）射频特性图图1.2 电阻射频等效电路电阻射频等效电路图图1.3 电阻阻抗绝对值与频率的关系

3、电阻阻抗绝对值与频率的关系金属膜电阻的阻抗绝对值与频率的关系图金属膜电阻的阻抗绝对值与频率的关系图结论：结论：从图从图1.31.3测试结果可知，随着频率升测试结果可知，随着频率升高，电阻阻抗下降，其原因为寄生电容影响。高，电阻阻抗下降，其原因为寄生电容影响。随着频率进一步升高，电阻的总阻抗上升，其随着频率进一步升高，电阻的总阻抗上升，其原因为引线电感的影响。在很高的频率时，引原因为引线电感的影响。在很高的频率时，引线电感会成为一个无限大的阻抗甚至开路。因线电感会成为一个无限大的阻抗甚至开路。因此在射频此在射频/ /微波段电路应用时要特别注意。目微波段电路应用时要特别注意。目前，在射频电路中主要

4、应用的是薄膜片状电阻前，在射频电路中主要应用的是薄膜片状电阻，该类尺寸能够做的非常小，可以有效地减少，该类尺寸能够做的非常小，可以有效地减少引线电感和分布电容影响。引线电感和分布电容影响。2.2.电容（器）射频特性电容（器）射频特性图图1.4 1.4 射频电容的等效电路射频电容的等效电路 图图1.5 1.5 电容阻抗的绝对值与频率的关系电容阻抗的绝对值与频率的关系电容阻抗的绝对值与频率的关系电容阻抗的绝对值与频率的关系结论：结论：随着频率升高，电容的容抗不但随着频率升高，电容的容抗不但不减小，反而随着频率升高容抗增大。不减小，反而随着频率升高容抗增大。目前，多层陶瓷片状电容器在射频电路目前，多

5、层陶瓷片状电容器在射频电路中广泛使用，它们可用于射频电路中的中广泛使用，它们可用于射频电路中的各个部分，使用频率可以高达各个部分，使用频率可以高达15GHz。3.3.电感（器）射频特性电感（器）射频特性 高频电感的等效电路高频电感的等效电路 电感阻抗的绝对值与频率的关系电感阻抗的绝对值与频率的关系 结论：结论：当频率升高到某一频率时，电感与分当频率升高到某一频率时，电感与分布电容产生了并联谐振，使阻抗迅速增加，布电容产生了并联谐振，使阻抗迅速增加，达到最大值，此后感抗随频率的升高迅速降达到最大值，此后感抗随频率的升高迅速降低。目前，片式电感也在射频电路中被广泛低。目前，片式电感也在射频电路中被

6、广泛使用。使用。有源晶体管介绍有源晶体管介绍 随着硅基和砷化镓基化合物半导体的发展，随着硅基和砷化镓基化合物半导体的发展，以及大量双极型、场效应晶体管的出现，射频以及大量双极型、场效应晶体管的出现，射频电路设计师根据所设计电路的应用领域及有源电路设计师根据所设计电路的应用领域及有源晶体管的规格要求可选择微波晶体管比以往任晶体管的规格要求可选择微波晶体管比以往任何时期都多。何时期都多。 1. 1. 结型晶体管结型晶体管 (1)(1)双极结型晶体管双极结型晶体管 双极结型晶体管又称为半导体三极管，双极结型晶体管又称为半导体三极管，它是通过一定的工艺将两个它是通过一定的工艺将两个PNPN结结合在一起

7、结结合在一起的器件。就射频应用而言，在超高频至的器件。就射频应用而言，在超高频至S S波波段的频率范围内双极型晶体管占统治地位。段的频率范围内双极型晶体管占统治地位。 (2)(2)异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管 异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管(HTB)(HTB)是在双极结型晶体是在双极结型晶体管管(BJT)(BJT)的基础上，把发射区改用宽带隙的半导的基础上，把发射区改用宽带隙的半导体材料，即同质的发射结采用了异质结来代替。体材料，即同质的发射结采用了异质结来代替。 异质结双极晶体管的分类很多，主要有异质结双极晶体管的分类很多，主要有以下几种：以下几种： SiGeSiGe异质结双极

8、晶体管；异质结双极晶体管； GaALs/GaAsGaALs/GaAs异质结晶体管；异质结晶体管； NPNNPN型型InGaAsP/InPInGaAsP/InP异质结双极晶体管。异质结双极晶体管。InGaAsPInGaAsP具有比具有比GaAsGaAs更高的电子迁移率，并更高的电子迁移率，并且在光纤通信中有重要应用。异质结晶体管适且在光纤通信中有重要应用。异质结晶体管适于作微波晶体管、高速开关管和光电晶体管。于作微波晶体管、高速开关管和光电晶体管。2.2.场效应晶体管场效应晶体管 场效应晶体管场效应晶体管(FET)(FET)简称场效应管。其特点是控制端简称场效应管。其特点是控制端基本上不取电流，

9、是一种用输入电压控制输出电流的半导基本上不取电流，是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。体器件。 3.3.场效应管与三极管比较场效应管与三极管比较传输线传输线在射频微波电路中，由于集肤效应原因，导在射频微波电路中，由于集肤效应原因，导体中的电流、电荷和场都集中在导体表面。集体中的电流、电荷和场都集中在导体表面。集肤效应带来的直接效果是：导线内部几乎无能肤效应带来的直接效果是：导线内部几乎无能量传输，微波功率量传输，微波功率( (绝大部分绝大部分) )在导线之外的空在导线之外的空间传输。间传输。 1.1.传输线定义与分类传输线定义与分类 第一类是多导体传输线：至少由两个导体构成第一类是多导体

10、传输线：至少由两个导体构成的传输系统，如平行双导线、同轴线、带状线、微的传输系统，如平行双导线、同轴线、带状线、微带线等。在这类系统中传输的是横电磁波（带线等。在这类系统中传输的是横电磁波（TEMTEM波）波）或准横电磁波，故又称为或准横电磁波，故又称为TEMTEM波传输线，其电场和磁波传输线，其电场和磁场都与电磁波传播方向相垂直。场都与电磁波传播方向相垂直。 第二类是金属管传输线：因电磁波在管内传播，这种传第二类是金属管传输线：因电磁波在管内传播，这种传输线习惯称为波导，如矩型波导、圆型波导、椭圆波导、脊输线习惯称为波导，如矩型波导、圆型波导、椭圆波导、脊波导等。它们传输的是波导等。它们传输

11、的是TETE波（横电波）和波（横电波）和TMTM波（横磁波）。波（横磁波）。TETE波（横电波）：电场与电磁波传播方向相垂直，传播方波（横电波）：电场与电磁波传播方向相垂直，传播方向上有磁场分量。向上有磁场分量。TMTM波（横磁波）：磁场与电磁波传播方向相垂直，传播方波（横磁波）：磁场与电磁波传播方向相垂直，传播方向上有电场分量。向上有电场分量。第三类是介质传输线：因电磁波沿传输线第三类是介质传输线：因电磁波沿传输线表面传播，故称为表面波波导。传输波形一表面传播，故称为表面波波导。传输波形一般是混合波型（般是混合波型（TETE波和波和TMTM波的叠加），某种波的叠加），某种情况下也可传播情况下

12、也可传播TETE波或波或TMTM波，主要包括介质波，主要包括介质波导、镜像线和单根表面波传输线等。波导、镜像线和单根表面波传输线等。2.2.传输线的分布参数及均匀传输线等效传输线的分布参数及均匀传输线等效双导线与同轴线的分布参数双导线与同轴线的分布参数传输线等效电路传输线等效电路 3. 3.传输线的特性参量传输线的特性参量 传输线的特性参量主要包括：传输线的特性参量主要包括：4.4.传输线的工作状态传输线的工作状态如果构成传输线的导体是理如果构成传输线的导体是理想导体想导体(R(R0 0=0)=0)，线间的介质是，线间的介质是理想介质理想介质(G(G0 0=0)=0)，这种传输线，这种传输线称

13、为无损耗传输线。无耗传输称为无损耗传输线。无耗传输线由于负载的不同，将形成不线由于负载的不同，将形成不同的工作状态，一般可以将他同的工作状态，一般可以将他们归纳为三种工作状态。们归纳为三种工作状态。(1)(1)行波状态。如果负载全部吸收入射波的功率而不产行波状态。如果负载全部吸收入射波的功率而不产生反射，即反射为生反射，即反射为0 0，传输线上只存在从电源向负载传，传输线上只存在从电源向负载传输的入射波，传输线的这种工作状态称为行波状态。输的入射波，传输线的这种工作状态称为行波状态。行波状态的特点：沿线各点电压、电流的幅值不变；行波状态的特点：沿线各点电压、电流的幅值不变；各点电压和电流相位相

14、同；沿线各点的输入阻抗处处各点电压和电流相位相同；沿线各点的输入阻抗处处相等，且均等于传输线的特性阻抗相等，且均等于传输线的特性阻抗电源发出的能量全部被负载吸收，传输效率最高电源发出的能量全部被负载吸收，传输效率最高(2)(2)驻波状态。如果负载完全不吸收功率，入射波全部驻波状态。如果负载完全不吸收功率，入射波全部由负载反射回电源方向，沿线入射波与反射波迭加形成由负载反射回电源方向，沿线入射波与反射波迭加形成驻波分布，传输线的这种工作状况称为全反射状况，这驻波分布，传输线的这种工作状况称为全反射状况，这种全反射状态称为驻波状态，或纯驻波状态。此时传输种全反射状态称为驻波状态，或纯驻波状态。此时

15、传输线已不能传输能量，而只能储存能量，即传输线与信号线已不能传输能量，而只能储存能量，即传输线与信号源之间只是不断地进行能量交换，形成一种动态平衡。源之间只是不断地进行能量交换，形成一种动态平衡。(3)(3)行驻波状态行驻波状态 行驻波状态条件行驻波状态条件: :如果传输线负载吸收一部如果传输线负载吸收一部分入射波功率，而其余部分反射回去，这时在分入射波功率，而其余部分反射回去，这时在线形成所谓的行驻波状态，行驻波状态是介于线形成所谓的行驻波状态，行驻波状态是介于行波状态和驻波状态之间的一种最普通的状态行波状态和驻波状态之间的一种最普通的状态。这是微波工程应用中遇到最普遍、最为重要。这是微波工

16、程应用中遇到最普遍、最为重要的一种工作状态。的一种工作状态。 5. 5.传输线的应用传输线的应用传输线不仅用于传送电能和电信号，还可以构成电抗传输线不仅用于传送电能和电信号，还可以构成电抗性的谐振元件。例如，长度小于性的谐振元件。例如，长度小于/4/4的终端短路或开路的终端短路或开路的传输线，其输入阻抗是感抗或容抗；长度可变的短路的传输线，其输入阻抗是感抗或容抗；长度可变的短路线可用作调配元件线可用作调配元件( (短截线匹配器短截线匹配器) )。又如长度为。又如长度为/4/4的的短路线或开路线分别等效于并联或串联谐振电路，称为短路线或开路线分别等效于并联或串联谐振电路，称为谐振线；其中谐振线；其中/4/4短路线的输入阻抗为无穷大，可用作短路线的输入阻抗为无穷大，可用作金属绝缘支撑等。此外，还可利用分布参数传输线的延金属绝缘支撑等。此外，还可利用分布参数传输线的延时特性制成仿真线等电路元件。时特性制成仿真线等电路元件。