(整理)射頻基礎(chǔ)知識.

1、精品文檔Z0Z1第一部分射頻基本概念常用概念特性阻抗特征阻抗是微波傳輸線的固有特性，它等于模式電壓與模式電流之比。對于TEM波傳輸線,特征阻抗又等于單位長度分布電抗與導納之比。無耗傳輸線的特征阻抗為實數(shù)，有耗傳輸線的 特征阻抗為復數(shù)。在做射頻PCB板設(shè)計時，一定要考慮匹配問題，考慮信號線的特征阻抗是否等于所連接前 后級部件的阻抗。當不相等時則會產(chǎn)生反射，造成失真和功率損失。反射系數(shù)（此處指電壓反射系數(shù)）可以由下式計算得出：/一 ZoZl Zo、駐波系數(shù)駐波系數(shù)式衡量負載匹配程度的一個指標，它在數(shù)值上等于:VSWR由反射系數(shù)的定義我們知道，反射系數(shù)的取值范圍是 01 ,而駐波系數(shù)的取值范圍是 1

2、正無窮大。射頻很多接口的駐波系數(shù)指標規(guī)定小于1.5。三、信號的峰值功率解釋：很多信號從時域觀測并不是恒定包絡(luò)，而是如下面圖形所示。峰值功率即是指以某種概率出現(xiàn)的尖峰的瞬態(tài)功率。通常概率取為0.1%。精品文檔SystemViewSinkledu tPmA四、功率的dB表示射頻信號的功率常用dBm、dBW表示，它與mW、W的換算關(guān)系如下:dBm=10logmWdBW=10logW例如信號功率為x W,利用dBm表示時其大小為p( dBm) -10 logx 1000五、噪聲噪聲是指在信號處理過程中遇到的無法確切預測的干擾信號（各類點頻干擾不是算噪聲）常見的噪聲有來自外部的天電噪聲，汽車的點火噪聲，

3、來自系統(tǒng)內(nèi)部的熱噪聲，晶體管等在工 作時產(chǎn)生的散粒噪聲，信號與噪聲的互調(diào)產(chǎn)物。六、相位噪聲相位噪聲是用來衡量本振等單音信號頻譜純度的一個指標，在時域表現(xiàn)為信號過零點的抖動。理想的單音信號，在頻域應為一脈沖，而實際的單音總有一定的頻譜寬度，如下頁所示。一般的本振信號可以認為是隨機過程對單音調(diào)相的過程，因此信號所具有的邊帶信號被稱為相位噪聲。相位噪聲在頻域的可以這樣定量描述：偏離中心頻率多少Hz處，單位帶寬內(nèi)的功率與總信號功率相比。例如晶體的相位噪聲可以這樣描述:偏離中心頻率10Hz100Hz1KHz10KHz單邊相噪-120dBc/Hz-130dBc/HzNiS40dBc/Hz-150dBc/H

4、zNo七、噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)是用來衡量射頻部件對小信號的處理能力，通常這樣定義：單元輸入信噪比除輸 出信噪比，如下圖：Si、NiSO、NOSiNi NF-SoNo對于線性單元，不會產(chǎn)生信號與噪聲的互調(diào)產(chǎn)物及信號的失真，這時噪聲系數(shù)可以用下式 表布:PnoNF-G Pni總NF1nf2NFn 1GlG1 G2 . Gn 1Pno表示輸出噪聲功率，Pni表示輸入噪聲功率，G為單元增益。級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)公式:NFn 1G1 G2 . Gn 1NF2 1NF 總-nf#4 G1第二章 發(fā)信機發(fā)信機簡介發(fā)信機實現(xiàn)了將調(diào)制信號調(diào)制并放大到合適的功率電平，以便于發(fā)信天線發(fā)射發(fā)信機主要有待調(diào)制信號處理部分、調(diào)

5、制部分和功放三大部分組成發(fā)信機的核心單元是調(diào)制部分調(diào)制部分根據(jù)調(diào)制方法的差異，可以分為模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制；幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相 位調(diào)制功放部分可以根據(jù)導通角不同分為A類、B類、AB類、C類等二、發(fā)信機組成的基本框圖三、發(fā)調(diào)制部分發(fā)調(diào)制可以分為一次變頻和兩次變頻兩類。兩次變頻是指現(xiàn)在較低的頻率上完成調(diào)制，在通過混頻或倍頻變?yōu)樗枰念l率一次變頻和兩次變頻相比具有電路設(shè)計難度大的劣勢，具有成本低的優(yōu)勢BTS2.0采用了兩次變頻方案BTS3.0采用了 一次變頻方案四、發(fā)信機指標發(fā)信機的指標主要分為三大類：功率類頻率類調(diào)制類對于任何發(fā)信機，最重要的指標就是發(fā)射功率對于不同系統(tǒng)的發(fā)信機，根據(jù)調(diào)制方法和

6、協(xié)議的不同，測試指標也不盡相同，下面介紹幾 個典型的指標。1、鄰道泄露鄰道干擾指標是用來衡量發(fā)射機的帶外輻射特性，定義：鄰道功率與主信道功率之比，通 常用dBc表示，如下圖：保護帶2、雜散輻射雜散輻射是指發(fā)信機發(fā)射的除信號之外的其他信號，它包括諧波分量、寄生輻射、交調(diào)產(chǎn) 物、發(fā)射機互調(diào)產(chǎn)物等。對該指標的規(guī)定是為了提高系統(tǒng)的電磁兼容性能，以便與其他系統(tǒng)共 存，當然這也保證了系統(tǒng)自身的正常運行。3、互調(diào)指標發(fā)射機互調(diào)指標是來衡量多個發(fā)信機在一起工作時的相互干擾情況，設(shè)有兩個發(fā)射機在一起工作，發(fā)信機B發(fā)射出的信號會經(jīng)過發(fā)射機 A的天線耦合至發(fā)信機 A,從而與發(fā)信機A的信號產(chǎn)生交調(diào)，該交調(diào)稱為發(fā)信機互

7、調(diào)，如下圖:發(fā)信機A發(fā)信機B fa2*fa-fb4、調(diào)制精度調(diào)制精度指：發(fā)射信號調(diào)制波形與理想調(diào)制波形之間的矢量誤差的方差與發(fā)射信號功率比 值，再開方。Q信號U 矢:）妄理想位置實測位置-I信號收信機一、收信機簡介收信機實現(xiàn)了將微弱的無線信號接收、放大和解調(diào)，恢復為基帶信號收信機主要由高頻部分、中頻部分和基帶處理部分組成最新的接收機在中頻部分開始實現(xiàn)數(shù)字化，號稱Software Radio （軟件無線電），BTS3.0已經(jīng)采用了部分軟件無線電技術(shù)，表現(xiàn)在中頻采樣，數(shù)字化處理。二、超外差式接收機的框圖二、收信機指標收信機最基本的指標是接收靈敏度理論上接收機的極限接收靈敏度為Pmin=lgKTB+

8、NF+C/N其中，K為波爾茲曼常數(shù)；T為信源絕對溫度；B為等效噪聲帶寬；NF為系統(tǒng)噪聲系數(shù)；C/N 為解調(diào)門限載噪比四、無畸變動態(tài)無畸變動態(tài)指用來描述接收機不受三階交調(diào)影響的整個接收信號電平范圍，它的下限是所考慮帶寬范圍內(nèi)的熱噪聲加上接收機噪聲系數(shù)，它的上限是，系統(tǒng)產(chǎn)生的三階交調(diào)產(chǎn)物剛好等 于所考慮帶寬范圍內(nèi)的熱噪聲加上接收機噪聲系數(shù)時的信號電平。利用接收機輸入三階截止點 IP3可以方便用下式表示：Pin 住 10 log(K TB) $ NF,1Pin (2 IP3 4 10 10g(K T B).NF)3_ 2_SFDR=Pin- Pin下一(IP3- 10 1og(K T B) - NF

9、) 3五、雜散響應雜散響應也稱為寄生響應、寄生靈敏度?，F(xiàn)在采用的接收機大都是超外 差接收機，接收機接收到的能夠與本振組合產(chǎn)生中頻的信號很多，其中除主 接收信號外的其他頻點稱為寄生波道，該頻點產(chǎn)生的響應稱為寄生響應。n fr m fl- fim fl 二 fifr -n由上式中看到，當 m=n=1 ,假設(shè)取負號時，fr為所要信號，則m、n的其他組合所得到的fr 為寄生波道。六、鄰道選擇性鄰道選擇是考核接收機在相鄰頻道有信號時的接收能力，它等于接收濾濾器(指中頻濾波器)在鄰道頻點處的抑制與通帶插損的比值，通常用 dBc表示。七、阻塞與互調(diào)抑制阻塞指標是來考核接收機抗干擾能力，它描述的是接收機在接收

10、的頻道外存在單音或調(diào)制 信號干擾，但干擾信號不在相鄰頻道或雜散響應頻點上的情況，具體指標要求根據(jù)不同系統(tǒng)而 定。阻塞指標一般要求接收機前端要有較高的三階截止點（即大的線性動態(tài)），同時要求中頻 濾波器有較好的選擇性?；フ{(diào)抑制同樣是指接收機在工作時，同時有兩個干擾信號進入接收機，這兩個信號的三階 交調(diào)產(chǎn)物正好落在帶內(nèi)?；フ{(diào)抑制主要要求接收機前端有較高的三階截止點。第二部分射頻器件第四章分布參數(shù)電路一、微波傳輸線概述微波集成電路的無源電路部分大都采用微帶線構(gòu)成的分布參數(shù)電路。微帶線是在低損耗介質(zhì)板上制作的薄膜 帶條，它的結(jié)構(gòu)可以理解為從同軸傳輸線演變而產(chǎn)生。圖1-5 (a)是同軸傳 輸線，圖中實線箭

11、頭代表電力線，虛線是磁力線。如果把外導體金屬筒切開民成平板，由導體為薄，則構(gòu)成對稱三板帶狀線，如圖 1-5 (b)所示。上、下兩平板為接地板，處在同一電位，中間薄膜條夾在兩片介質(zhì)板中。若去掉上片介質(zhì)板和金屬板，就構(gòu)成了微帶線，如圖1-5( c)所示。圖1-5(c)稱為標準微帶線。此外，微帶線還有許多變種形式，常用的幾種如圖1-6所示。圖 1-6的幾種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點，其共同特點都是在介質(zhì)基片上刻蝕的平面薄膜電路。由于介質(zhì)的介電常數(shù)高，介質(zhì)內(nèi)波長短，因而微波集成電路尺寸得以縮小。圖1.5同軸線和微帶線 同軸線，(b)三板帶狀線，c)微帶線(a)(f)(g)圖1-6 MIC常用的微波傳輸線(a)標準

12、微帶(b)倒置微帶，(c)懸置微帶。(d)三板微帶(e)槽線，共面線，(g)鰭狀線幾種集成電路傳輸線的特性比較可參見表所列。微波集成中路傳輸線特性傳輸線適宜的工作頻率(GHz)可用的阻抗范圍 ()傳輸線截面?zhèn)鬏斁€Q值標準微帶110015100小低懸置可倒置帶線115020150小中等三板帶線0.54015100小低槽線26060200中等低共面線26040150匚口等低鰭狀線3015020400匚口等中等、介質(zhì)基片與導體材料基片是微波電磁場傳輸媒質(zhì)，又是電路支撐體。對基片的要求是微波損耗小，表面光滑度高、硬度強、韌性好、價格低。常用的介質(zhì)及其特性如表所列。關(guān)于各種基片材料的特性和 優(yōu)缺點詳見第

13、十三章。最常用的介質(zhì)基板是聚四氟乙烯纖維環(huán)氧樹脂板和氧化鋁陶瓷板。聚四氟乙烯纖維板價格便宜，雙面用熱壓法覆以銅膜，可以直接光刻腐蝕成電路，加工簡 便，廣泛用于172GHz波段的多種MIC電路。微波集成電路基板材料材料名稱表面粗糙度(um)10GHz時的損耗正切(10-4)介電常數(shù)導熱率(W/cm C)應用與特點聚四氟乙烯纖 維加強板10152.52.8厘米波段MIC 價格低，加工 容易氧化鋁(99%)25250.3厘米波段至毫 米波段藍寶石0.51199.50.4毫米波MIC人工復合介質(zhì)2200.010.05厘米波段，介 電常數(shù)任意高介陶瓷1220800.010.05用于小尺寸電 路Duroi

14、d2.24.0毫米波MIC石英0.10.513.80.01毫米波MIC，但 易碎鐵氧體102513160.03單向器件電路氧化鉞21016.62.5導熱好，用于 功率器件硅110100121.5MMIC神化錢1612.90.46MMIC磷化錮140.68MMIC氧化鋁陶瓷的介質(zhì)損耗小，表面光潔，適宜于較高頻段，而且介電常數(shù)高，制作的MIC小巧精致。但是陶瓷板需要真空鍍膜，如工復雜，成本高。基片厚度大多數(shù)為 0.51.0mm,毫米波段 則用0.20.3mm為宜?；^薄時，強度差，聚 四氟乙烯纖維板容易翹曲，氧化鋁陶瓷則易碎；基片過厚時，同樣微波特性阻抗的微帶線寬度 過大，可能產(chǎn)生橫向高次電磁場

15、模式，也可能在基板厚度方向產(chǎn)生表面波模式，因而影響了電 路的正常工作。對微帶線金屬膜材料的基本要求是：電導率高、穩(wěn)定不氧化、蝕刻性好、容易焊接、容易淀積或電鍍，對基板附著力強。表1-8給出一些常用金屬導體材料。對于MIC來說，最常用的金屬材料只是銅與金。材料表向電阻率cm / 10-7（f單位:HZ）趨膚濃度f 2GHZ（科m）熱膨脹系數(shù) （10-8/C）與介質(zhì)附著力工法銀（Ag）2.51.421差蒸發(fā)銅（Cu）2.61.518差電鍍蒸發(fā)、化學淀積金（Au）3.01.715差電鍍、蒸發(fā)鋁（Al ）3.31.926差蒸發(fā)銘（Cr）4.72.79好蒸發(fā)鋁(pd)3.611中蒸發(fā)、電鍍、濺射祖(Ta

16、)7.24.06.6好濺時三、標準微帶線1、微帶線中的電磁場微帶線是MIC的基本元件，不論是MIC的使用者不是電路設(shè)計人都必須對微帶線特性具有清楚的概念。微帶 線的結(jié)構(gòu)與電磁場分布如圖所示。(c)(a)(b)圖4-7 標準微帶線(a)微帶線結(jié)構(gòu)，(b)微帶線中的電場E和磁場H;(c)微帶線上的縱向電流密度。微帶線基板厚度為H,相對介電常 數(shù)為 r。當介電常數(shù)遠大于空氣介電常數(shù) o,而且頻率較低時，電磁場基本上存于介質(zhì)基板內(nèi)。此時的電磁場模式可認為是橫電磁波，即TEM波。但實際上總會有一小部分電磁場存在于空氣中，在空氣和基板交界面處出現(xiàn)電向分量，因此稱 之為準TEM波。微帶線上的電流密度分布如圖

17、1-17 (c)所示，微帶 邊沿電流密度大，是電流損耗的主要組成部分。2、微帶線參數(shù)e e。微帶線的主要電參數(shù)是特性阻抗 Zo,傳播波長入g和有效介電常數(shù)根據(jù)微波傳輸線特性阻抗Z的定義式中L-單位線長的電咸;C單位線長的電容。如果把基片介電常數(shù)設(shè)為理想值 ro=1 ,此時的特性陰抗用Z01表示。當基片有效介電常數(shù)為e e時，微帶線特性阻抗Zo將是Z01Zo - e微帶中波長入g和空氣中波和入o關(guān)系是有效介電常數(shù)的數(shù)值是由電磁場分布決定的。如果電磁場全部處于介質(zhì)中，則e e=g r,但是由于電磁場的一部分存在于 o=1的空氣中，因此 g r, e的嚴格計算是比較復雜的，不僅微帶電磁場分布不規(guī)則，

18、 而且隨著電波頻率的升高，電磁場的縱向分 量增加，磁場縱向分量增長比電磁縱向分量增長還要快。因此 e也隨頻率變化，傳播波長和微帶特性阻抗都隨之而變。這就是色散現(xiàn)象。一般情況下，頻率低于45GHZ時，色散現(xiàn)象不嚴重。隨后， e將隨頻率增加而增加，例如12GHz時的e e將比4GHZ時大約增長5%左右。3、微帶元件(1)基本微帶元件最常用的基本微帶元件及其等效電路如圖1-8所示。微帶線段等效電路元件圖(d)表達式是j 3 L=jZosin 0j C = j z! tg 2細微帶的特性阻抗Zo較高，微帶線段具有串聯(lián)電感作用；寬微帶的特性阻抗低，等效為并聯(lián)電 容。南 op FT/Zo (a)(b)Lc

19、c -y丁 Zopr(d)(e)基本微帶元件(a)微帶線段，(b )開路分支等效電路， (d)線段等效電路；(e)開路分支等效電路；/(c)-Zsh(c)終端短路分支短路分支等效電路微帶線并聯(lián)開路分支圖（c）的等效電路元件為Zop = -j Z10 ctg op當分支線長度op900 ,即機械長度小于g/4時，則等效為感抗。微帶線并聯(lián)短路分支圖（c）的等效電路元件為Zsh 二 一j z0 tg sh當分支線長度0P90。時，等效為容抗用這三種微帶元件即可組成變化多端的各種微帶電路。四、梢線與共面線槽線和共面線是MIC中常用的傳輸線，其共同特點是接地面與傳輸線在同一平面上。1、槽線槽線的結(jié)構(gòu)和電

20、路分布如圖所示。槽線中的磁場分布是縱向的，所以傳播的電磁場不是 TEM波，基本上屬于TE波（橫電波）主要的優(yōu)點缺點如下：（ 1）容易安裝有源器件。由于全部導體在同一平面上，安裝半導體有源器件時，無需像微帶那樣在基片上打孔控槽。簡化了工藝，增加了可靠性，便于集成。（2）容易獲得較高阻抗。標準微帶線的特性阻抗最高可做到150 。阻抗再高時，微帶線太細，工藝誤差過大，而且容易斷線，而槽線分布電容小，阻抗高得多。（ 3）占據(jù)基片面積大。相應的集成電路尺寸要增大。（ 4）難于獲得低阻抗。細小槽縫的工藝加工困難2、共面線1-13所示。外側(cè)兩條金屬膜是接地面，傳播的波也是準TEM 模。它的優(yōu)點也是容易安裝有

21、源器件，尤其是對于平衡混頻器等兩支對稱二極管的電路非常方便。當基片常數(shù)較高時，電場大部分集中在介質(zhì)中；介質(zhì)中波長短，同樣可以獲得小尺寸集成電路。五、 MIC 電路設(shè)計和工藝加工的要點1 1、微帶線條微帶線邊沿電場向兩側(cè)延伸，如圖1-7 （b）所示，電場延伸距離大約等于 2倍基片厚度。因此為避免線間耦合，微帶線間距離以及微帶至外盒邊壁距離應保持為基片厚度的4倍以上。微帶 的特性阻抗抗 通常宜保持在12010 之間，特性阻抗 過高，線條小于0.1 mm時，很難保證尺寸精度。2、側(cè)向腐蝕裕量光刻腐蝕微帶線時，由于存在側(cè)向腐蝕作用，光刻所得的線條寬度比保護膜寬度要窄。線條變窄的比率和很多工藝因素有關(guān)。

22、在化學藥液消耗大的局部區(qū)域，濃度降低，腐蝕速率降低，而z藥液流動性好的區(qū)域，保持較高較高濃率，各處也不全一樣。一般情況下，可把微帶線寬加出 12倍金屬膜厚作為腐蝕裕量。具體裕量值可根據(jù)各廠家工藝具體情況憑經(jīng)驗確定?？傮w來說，金屬膜薄，而且腐蝕時不停攪動，可以減小側(cè)向腐蝕誤差和保持微帶邊沿光整。3、接地通孔微帶接地是用金屬化通孔實現(xiàn)的。微帶終端接地孔直徑必須大于微帶線寬，否則將存在較大接地電感。對大面積接地情況，可設(shè)計成排的密排小孔?？讖皆O(shè)計值不宜小于0.5mm,否則對孔壁進行化學沉積金屬層時不易保證質(zhì)量。4、有封裝晶體管焊接管腳 引線和微帶電路焊接時，必須焊至管腳靠近管殼的根部。因為設(shè)計電路時

23、所用的器件S參數(shù)是從管殼邊實測的，否則管腳引線效應將影響電路性能。微波半導體管焊接前容易損壞。應該用非金屬鑷子取拿，不能用手直接觸摸，以免人體靜電使微波管損壞。焊接操作時，手腕上宜帶防靜電接地鏈，地面鋪導電橡膠墊。焊劑用熔點為150以下的低溫焊錫，全電路各無源元件焊裝之后再焊接有源器件。5、管芯和梁式引線器件焊接管芯和梁式引線器件不僅尺寸極小，而且更容易被損壞。有些單片集成電路中有空氣橋，此種芯片和MIC 混合組裝時，更要注意，用鑷子直接夾持或觸動有源區(qū)。大部分管芯北面有金屬化層，可以接在底板上。焊料常用錫金合劑（含金20%），以避免焊接過程中熔掉管芯的鍍金層。焊接時宜采用熱氣浴焊，外引線也可

24、以用熱壓焊，但不宜用超聲壓焊。第五章微波二極管一、低噪聲雙極晶體管普通三極管中常彩的頻率參數(shù)，如共基極截止頻率fa,共射極截止頻率f ,甚至特征頻率fT（也稱增益帶寬積）在微波應用中，實用意義不大，微波低噪聲管最重要的微波電參數(shù)就是功率增益Gp,和噪聲系數(shù)Nf （1dB壓縮輸出功率PidB將在功率管中討論。）1、功率增益Gp和S參數(shù)功率增益Gp定義為，在某一特定測試條件下，晶體管的輸出功率與輸入功率之比Gp=Po/Pi對于低噪聲晶體管，手冊中給出的常常是對應最小噪聲系數(shù)狀態(tài)下的功率增益，稱相關(guān)增益，常以Ga表示。對于小信號微波晶體管放大器的功率增益可采用下式進行設(shè)計； G1P = G：ax ,

25、 GG YS - Yog|2式中 Ys實際源導納，Ys=Gs+jBs;Yog相應最大可用功率增益 Gmax時的最佳源導納，Yog+jBog;Gp實際源導納Ys下的功率增益；Gmax最佳源導納Yog下的最大可用功率增益；Rg增益電阻。常數(shù)，可以計算也可以測量求得。Gp等于常數(shù)的軌跡是在史密斯圓圖上，即要求把晶體管作為一個四端網(wǎng)絡(luò)，由生產(chǎn)廠提供必要的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。在低頻時可提供 h參數(shù)，在高頻時常提供 Y參數(shù)，到了微波頻率應提供是 S參 數(shù)。S參數(shù)是一組四個復數(shù)參數(shù)，即 Su、S21和S22。微波晶體管的S參數(shù)可用輸入和輸出電流 ii 和i2,輸入和輸出阻抗Zin和Zout以及輸入和輸出端所接無損傳輸

26、的特性阻抗 Zo表示。_ Zin-ZoSi產(chǎn)輸入反射系數(shù)，當輸出接上匹配負載時（Zl=Zo） S11 = Zin i2$21=正向傳輸系數(shù)，當輸出接上匹配負載時（Zl=Zo） S21 =rf7i192=反向傳輸系數(shù)，當輸入接上匹配負載時（Zs=Zo） S12r ri2Zout _Z oS22=輸出反射系數(shù)，當輸入接上匹配負載時（ZL=Zo） S22 = ZouHZ0式中，Z,是實際信源阻抗，Zs=1/Y,和rr是微波晶體管的正向和反向電流傳輸因數(shù)：_ 2Zo_ 2Zorf = Zin 2orr = Zout Zo各個頻率下的S參數(shù)可以采用微波網(wǎng)絡(luò)分析儀（如 HP8510）在50的微波系統(tǒng)中測得

27、。因為 S參 數(shù)是晶體管工作頻率和工作點的函數(shù)，所以設(shè)計時要注意選用相對的S參數(shù)數(shù)據(jù)。S參數(shù)對于線性小功率放大器的增益帶寬設(shè)計是一組非常重要的電參數(shù)，而且目前已達到很高的準確性。只要生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，對于同一管型的晶體管，其S參數(shù)離散很小，因而無需對每只晶體管都進行測試，往往是抽測部分樣品，給出該產(chǎn)品的典型值。2、噪聲系數(shù)Nf和噪聲參數(shù)晶體管噪聲系數(shù)Nf的基本定義是晶體管的輸入端信號/噪聲功率比與輸出端信號/噪聲功率 比的比值。Si/Ni No1Nf = S&No = NiGp由式（3-15）還可以把噪聲系數(shù)理解為 Gp=1時的噪聲放大倍數(shù)。雙極管的噪聲系數(shù)是頻率和工作點的函數(shù)，其噪聲系數(shù)隨頻率的

28、變化如圖3-4所示。它可分為三個噪聲區(qū)。（1）低于頻率f1時，是1/f噪聲區(qū)，其噪聲源主要由載流子的表面復合與產(chǎn)生引起，這隨頻率呈2dB/倍頻程的規(guī)律下降。f1的系數(shù)值取決于晶體管的結(jié)構(gòu)和制作工藝，目前良好的半導體工藝已可使f1達到十幾赫，甚至更低，這就是所謂的低頻低噪聲晶體管。6 4 2益增3dB/倍頻程6dB/倍頻程頻率（GHZ ）微波雙極管Nf-f的關(guān)系頻率（GHZ）微波雙極管Jr Gmax Gu-f的關(guān)系（2）在f1和f2之間的頻率區(qū)稱為白噪聲區(qū)，這時晶體管中的噪聲源主要是熱噪聲和散粒噪f2=fa1- 0聲，所以這線性工作頻率無關(guān)，保持一個恒定的噪聲系數(shù)。圖中的 當頻率超過f2時，噪聲

29、系數(shù)開始上升，當升高3dB時，達到頻率fN = fa ；1 - 0k,k = 12re/Rg + rbre為發(fā)射極電阻，隨后噪聲系數(shù)將以6dB/倍額的規(guī)律上升，這是由于晶體管的功率增益已開始以6dB/倍頻的規(guī)律下降，微波低噪聲晶體的研制任務(wù)就是要盡量降低白噪聲區(qū)的噪聲系數(shù)，并將f2向高端推移，實際的硅微波低噪聲晶體管絕大部分都工作在f2fN之間的頻率范圍。二、功率雙極晶體管1、輸出功率Poffi最佳負載耗散功率大于1W的晶體管被定義為功率晶體管， 它和低功率管的不同之處在與功率管的要求各更大的電流容量以提高輸出功率。為提高電流容量就要增大發(fā)射極周長以及發(fā)射區(qū)和基區(qū) 面積，微波功率管的設(shè)計就是要

30、求在盡可能小的基區(qū)面積內(nèi)(滿足功率要求)獲得最小的發(fā)射 結(jié)面積和最大的發(fā)射極周長，這就比低噪聲管有更多的結(jié)構(gòu)形式。目前常用的有三種電極結(jié)構(gòu)，即梳狀結(jié)構(gòu)、覆蓋結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。晶體管的輸出功率本質(zhì)上取決于自身的電流和電壓的承受能力，微波功率管由于應用場合 不同，有幾種輸出功率定義，不同定義的輸出功率值差判別很大，下面是幾種常用的輸出功率 定義。(1)飽和輸出功率Po這是指微波功率管在特定的測試條件下，所能獲得的最大輸出功率，如圖3-8所示。為安全起見，實際功率管不可能工作在最大的飽和功率狀態(tài)，而是將接近飽和輸出功率的某一較大值作為飽和輸出功率 Po。它反映了連續(xù)波使用時，功率管的最大可輸出功率。它

31、都在丙類(或 C 類)工作時測得，處于很強的非線性工作狀態(tài)，失真較為嚴重。晶體管輸入一輸出功率曲線(2)線性輸出功率PidB也稱1dB增益壓縮時的輸出功率。晶體管在小信號工作時，其功率增益值保持不變，即圖3-8中直線段的斜率，但隨著輸入信號的增大，晶體管開始進入非線性區(qū)，這時功率增益將隨輸入增加而逐漸下降，當增益下降到比線性增益低2dB時，所對應的輸出功率即定義為1dB壓縮輸出功率PldB,有時也簡稱為線性輸出功率，在多路通信應用中，對信號失真有較高的要求，所 以應以PldB作為對功率管的衡量指標。功率管的最在輸出功率，除與晶體管本身性能的好環(huán)有關(guān)外，還和負載阻抗關(guān)系極大。在線性網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，為

32、獲得最大輸出功率，常采用共軻匹配，但對功率管由于其輸入、 輸出阻抗 的 非線性，不可能實現(xiàn)共軻匹配。但是，可以找到一個變換網(wǎng)絡(luò)，這個網(wǎng)絡(luò)可將50 負載變換到這樣一個阻抗，其實部 Rl可在集電極電壓Vcc下獲得最大輸出功率，其虛部可將晶體管內(nèi)部寄 生元件（Le,Lb和Cc等）調(diào)諧掉。這個變換網(wǎng)絡(luò)所變換成的阻抗，稱為最佳負載阻抗，也稱動態(tài) 輸出阻抗，下面在功率增益中還將進行討論。2、功率增益Gp和大信號動態(tài)參數(shù)功率晶體管的功率增閃本質(zhì)上取決于晶體管的fT及其動態(tài)阻抗。其定義與低噪聲等完全相同，不過功率的測試往往是照顧獲得最大輸出功率Po,而對應的增益Gp就不是最大（兩者不可能同時最大），一般給出的

33、 Gp值都與輸出功率狀態(tài)相對應。功率管由于結(jié)面積增大，其輸入阻 抗大大降低，發(fā)射極引線電感 Le的負反饋影響也大增加，其功率增益表示式為fT/f2Rl _ 廿沼Gp - 4 Re Zin - 2 rb rLe式中RL 負載電阻；Re （Zin）動態(tài)輸入阻抗實部；co r 截止角頻率且 co r=2兀Ft。這是器件研制者常采用的設(shè)計公式。由于功率放大器是非線性工作，小信號線性分析已不 適用，這給功率放大器的設(shè)計帶來更多的困難，目前實際設(shè)計常采用以下三種方法，即動態(tài)阻 抗法、大信號S參數(shù)法和負載和負載牽引法，因而對功率晶體要求給出各種相應的附加參數(shù)。3、熱阻對于行定的功率，其熱阻一般是固定的，這取

34、決于晶體管的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝水平。使用中 要注意的是生產(chǎn)廠給出的熱阻指標都要給出相應的殼溫或散熱器溫度，因此使用者要特別注意 功率管的散熱，以使實際工作晶體管的殼溫低于給定的殼溫，或者降低使用功耗，才能使晶體 管的實際工作結(jié)溫較低，從而保證功率長期可靠的工作。實際使用中為保證器件長期可靠性的 工作，一般都要降低工作結(jié)溫。我們選工作結(jié)溫為150 C,將Te=50 C, Tj=150 C和Rth=10 C/W代入式（3-22）求得Pcm=10W ,即這時功率管不能工作在原事實上的最大功耗15W,而必須降至10W使用才行；如果又要在 15W下工作，還要求結(jié)溫為 150 C,另一辦法是強迫散熱，保證功率

35、管的殼溫降至0 ，這仍然是依據(jù)式（3-22）求得，故式（3-22）是功率管熱電設(shè)計的一個重要公式。4、工作類別與抗負載失配能力（ 1）工作類別功率晶體管放大器常采用的工作類別有三類，即甲、乙、丙三類（也稱 A、B、C三類）。線性功率管放大器幾乎都采用甲類放大，其工作特征是發(fā)射極結(jié)處于正向偏壓，晶體管在靜態(tài)時維持較高的靜態(tài)直流電流。這類放大的特點增益高、噪聲低、線性好，但缺點是輸出功率小并且效率低，其理論最效率為50%，實際只有25%40%。因此功率管只在高線性要求時，才采用甲類放大。（ 2）抗負載失配能力功率晶體管在微波系統(tǒng)中應用時，為保證大功率和高增益都處于匹配狀態(tài)，這時經(jīng)功率管放大輸出的微

36、波功率都由負載吸收；然而由于某種原因引起輸出失配時，將會使微波功率管的負荷大大增加。一方面由于電感性負載的影響，會使加在集電極上的電壓增高，在丙類放大時，有可能達到幾倍于電源電壓，另一方面由于失配，反射 回來的微波功率也由微波管承擔，這樣就可能使晶體管產(chǎn)生二次擊穿或此起其他熱電失效，從而燒毀功率管。而且失配愈嚴重。即電壓駐波比愈大，對功率管抗燒毀能力的要求愈高，因此對負載失配的承受能力也是微波功率管的一項重要指標，常用功率管所能承受的電壓主駐波比數(shù)值來表征，如 3： 1 ； 10： 1或無窮大等，而且一般都指全相位的情況，即在等駐波圓內(nèi)的所有負載情況下，都不會引起功率燒毀。其測試原理就是在Po

37、測試系統(tǒng)中輸出調(diào)配器之后，串入一可變負載。首先將功率管調(diào)配至額定輸出功率，然后調(diào)節(jié)可變負載使之失配其失配狀態(tài)，即不同的電壓駐波比數(shù)值，可以從可變負載的刻度上讀出。這樣即可根據(jù)功率晶體管是否損環(huán)來判斷其抗電壓駐波比（ VSWR）的能力。1三、振蕩晶體管在振蕩器的應用中，對雙極晶體管的電參數(shù)和管殼結(jié)構(gòu)都有一些特殊要求，為此目前已把振蕩晶體管例為單獨一類。目前除通常的微波晶體管振蕩器以外，為了穩(wěn)頻和調(diào)頻又出現(xiàn)了聲表面波振蕩器（ SAWO ） 、 介質(zhì)振蕩器（ DRO） 、 壓控振蕩器（ VCO） 和 YIG 調(diào)頻振蕩器（ YTO ） ，前兩者屬于高穩(wěn)定的固定頻率（可微調(diào)）振蕩器，后兩者屬于寬帶電調(diào)振

38、蕩器。雙極晶體管振蕩器相位噪聲低、頻率穩(wěn)定性好、動態(tài)范圍寬、效率高、輸出功率可以從瓦到幾瓦，因此已成為重要的微波頻率源。一般雙極管振蕩器都采用共基極電路。振蕩電路基本也是一個放大電路，但它的輸出可通過反饋元件向輸入端提供正反饋，從而引起振蕩。由于微波晶體管的振蕩頻率哥以很高，有時不用外接反饋元件，單靠晶體管自身的分布參數(shù)產(chǎn)生振蕩。尤其值得指出的是在共基極接法中，晶體管內(nèi)部的基極引線電感 Lb起著正反饋的作用，更利于晶體管的起振。振蕩晶體管管殼的輸入、輸出電容比放大管管殼要求更為嚴格。另外，對于YIG 電調(diào)振蕩器，絕對不能選用含有鐵磁材料的管殼，以免破壞YIG 小球的磁碭分布。振蕩晶體管的主要微

39、波電參數(shù)有振蕩頻率fo、振蕩輸出功率Po和相位噪聲。1 、振蕩頻率fo它一般指在保證一定輸出功率電平下，微波晶體管所能達到的最高振蕩頻率。由于要保證振蕩輸出一定的功率，再加上電路損耗等因素影響，所能實現(xiàn)的振蕩頻率遠低于該晶體管的最高振蕩頻率fmax,它們之間也無固定關(guān)系，由實際振蕩測試獲得。目前硅雙極管的振蕩頻率多在10GHz以下，毫瓦級輸出的振蕩頻率可達20GHZ。2、振蕩輸出功率Po它是指在一定振蕩頻率fo下，晶體管所能輸出的最大振蕩功率。同樣的晶體管芯片，作振蕩用時，其輸出功率和效率一般要低于作放大用的輸出功率和效率。微波振蕩晶體管的輸出功率大多在十幾毫瓦至幾百毫瓦，在微波低端也可以輸出

40、幾瓦，效率一般低于10%。如需要更大功率，可后接功率放大器。3、相位噪聲它是在距載頻率特定頻偏處，1HZ帶寬內(nèi)的噪聲電平相對載頻電平的比值，以單位 dBc/HZ表示。它反饋輸出頻率中的短期頻率改變。從晶體管本身特性來講，它取決于晶體管的閃爍噪聲，或稱1/f噪聲。晶體管的1/f噪聲低，振蕩器的相位噪聲就??；反之，相位噪聲就大。由于雙極管不是表面型器件，其 pn結(jié)有源區(qū)深入芯片內(nèi)部，而下面要介紹硅MOS FET和CaAs的MESFET屬于表面型器件，因此雙極晶體管具有更低的相位噪聲。目前報導，雙極管振蕩器的相位 噪聲要比CaAs FET低一個量級。第六章低噪聲放大器一、噪聲系數(shù)與噪聲溫度低噪聲放大

41、器在任何為微波接收系統(tǒng)中部處于前端位置，這是因為微波系統(tǒng)的噪聲系統(tǒng)，基本上取決于前級放大器的噪聲系數(shù)，所以低噪聲放大器是接收系統(tǒng)中相當重要的部件。任意微波部件的噪聲系數(shù) Nf定義如下：Sin /NinNf = SOUT/Nout式中Nf微波部件噪聲系數(shù)。Sin,Nin 分別是微波放大器輸入端的信號功率和噪聲功率；Sout,Nout 分別是微波放大器輸出端的信號功率和噪聲功率；從式可以看出，噪聲系數(shù)的物理含義是：信號通過放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使 信噪比變壞，信噪比下降的倍數(shù)的是噪聲系數(shù)。通常，噪聲系數(shù)用分貝數(shù)表示，此時Nf dB =10lgNf隨著微波晶體管工藝技術(shù)的進步，肖特基柵場效

42、應晶體管MES FET和高遷移率場效應晶體管HEMT的噪聲系數(shù)不斷下降。HEMT管的噪聲系數(shù)在Ku波段約為0.7dB ,在C波段甚至低達0.2dB。 此時放大器的系數(shù)很小，用噪聲系數(shù)表示方法很不方便，因此，改用等效噪聲溫度的表示方法。根據(jù)噪聲系數(shù)公式，可改寫成下式，并畫出放大器電路如圖所示。Nout _ NoutNf MNinfF = NinG式中，G是放大器功率增益。圖中e2是信號源電阻Rg產(chǎn)生的噪聲電動勢的平方值。e2 =4 ToRg f式中k玻耳茲曼常數(shù)，k=1.38X10-23j/k;低噪聲放大器基本電路To環(huán)境溫度，通常取為 293K。 f放大器通頻帶。對于微波系統(tǒng)來說，Rg是50

43、系統(tǒng)標準阻抗。當放大器和信源阻抗匹配時，放大器輸入端噪聲功率為Nin=kTo Af將此值代入式，即得NoutNf :kToAfG不難看出，放大器輸入的噪聲功率是信源阻抗在To時產(chǎn)生的熱噪聲，那么放大器自身產(chǎn)生的噪聲也可看成一個 Te的物體產(chǎn)生的熱噪聲，這里可以把T,理解為放大器的等效噪聲溫度，這時放大器輸出噪聲功率為Nout = k To To fG得到移項即得到放大器噪聲溫度Te To /TeNf- To = 1ToTe和噪聲系數(shù)的關(guān)系Te = To Nf - 1利用公式可得出噪聲系數(shù)與噪聲溫度對應關(guān)系，見下表所列（ To=29k）。對于理想無噪聲放大器來說，Te等于零。目前C波段優(yōu)良的低噪

44、聲放大器的噪聲溫度可達到2030K。噪聲系數(shù)和噪聲溫度關(guān)系Nf( dB)0.10.20.30.40.50.60.70.8.091.01.5233.544.5510Nf1.0211.041.071.091.121.141.171.201.231.251.411.581.992.232.512.813.161033726285293559282Te(6.8213.820.928.235.743.451.259.237.475.8120.171.291.362.442.532.633.293k)16751467793699850、功率增益、相關(guān)增益與增益平坦度1、功率增益微波放大器功率增益有多種定義

45、，比如資用增益、實際增益、共軻增益、單向化增益等， 其原理可參考有關(guān)書籍。對于實際的低噪聲放大器，功率增益通常是指信源和負載都是 50 標準阻抗情況下實測的 增益。實際測量時，常用插入法，即用功率計先測信號源能給出的功率P1;同志把放大器接到信源上，用同一功率計測放大器輸出功率 P1,功率增益就是 P2G = Pl在測量中，信號源和功率計都是標準50 Q ,所測P1是信號源資用功率，而 P2則代表50 Q負載能獲得的功率。從這個意義上講，功率增益G中考慮了放大器輸入和輸出失配所造成的增益下降因素。2、相關(guān)增益低噪聲放大器都是按噪聲最佳匹配進行設(shè)計的。噪聲最佳匹配點并非最大增益點，因此增 益G要

46、下降。噪聲是最佳匹配情況下的增益稱相關(guān)增益。通常，相關(guān)增益比最大的增益大約低24dB。功率增益的大小還會影響整機噪聲系數(shù)，下式給出簡化的多級放大器噪聲系數(shù)表達式：Nf2 1Nf3 1Nf =Nfi +b +G3G2 +式中Nf放大器整機噪聲系數(shù)；Nf1,Nf2,Nf3 分別是第1,2, 3級的噪聲系數(shù)；G1, G2,分別是第1, 2級功率增益。從上式可知，只有當前級增益 G1和G2足夠時，整機噪聲才能接近第 1級的噪聲。在微波系統(tǒng)中，低噪聲放大器看成為第1級，而后面的混頻接收部件可看成為第2級，那么低噪聲放大器的功率增益就必須足夠高，才能壓制掉后級噪聲的影響。作為成品微波低噪聲放大器的功率增益

47、，一般是2030dB范圍。3、增益平坦度增益平坦度是指工作頻帶內(nèi)功率增益的起伏，常用最高增益與最小增益之差，即 G ( dB)表示，如圖4-2所示，比如允許全頻帶 f之內(nèi)， G (dB) W2dB。dB/MHZ來表在多路通信的情況下，低噪聲放大器對全部信道放大，后接終端機進行分路。每個信道的 信號只占幾十兆赫，對于每個信首信號，增益起伏不能太大，這時常用增益斜率示，比如增益斜率要求為G=0.05dB/10MHz0.1dB/10MHz.對于低噪聲放大器來說，就是全頻內(nèi)增益變化要平緩，不允許增益有陡變。 G放大器頻帶特性三、工作頻帶考慮到噪聲系數(shù)是主要指標，但是在寬頻帶情況下難于獲得極主低噪聲，所

48、以低噪聲放大 器的工作頻帶一般不太寬，較多為20%上下。工彳頻帶 f的含義也標注在上圖中。工作頻帶有不僅是指功率增益滿足平坦要求的頻帶范圍，而且還要求全頻帶內(nèi)噪聲要滿足 要求，并給出各頻率點的噪聲系數(shù)。微波低噪聲放大器成品大都不給出工作頻帶以外的幅頻形狀。有些設(shè)計不良的產(chǎn)品，頻帶 形狀并不像上圖所示，而可能是下圖形狀，頻率低端帶外有較大增益突起，頻率高自身增益大 約是以每倍頻程6dB規(guī)律下降，在低頻端增益低，而高端增閃則易于跌落。放大器全頻段幅頻特性四、動態(tài)范圍動態(tài)范圍是指低噪聲噪聲放大器輸入信號允許的最小功率和最在功率的范圍。動態(tài)范圍的 下限是受噪聲性能所限。當放大器的噪聲系數(shù)Nf已給出定時

49、，輸入信號功率允許最小值是Pmin=Nf(kTo fm)M式中fm 微波系統(tǒng)的通頻帶(例如中頻放大器通頻帶)M微波系統(tǒng)允許的信號噪聲比，或信號識別系數(shù)。To環(huán)境溫度，293K。由式可知，動態(tài)范圍下限基本上取決于放大器噪聲系數(shù)，但也和整個系統(tǒng)的狀態(tài)和要求有 關(guān)。例如，電視信號微波中繼每信道頻等4fm-40MHZ ,信號噪聲比M=10,放大器噪聲系數(shù)Nf=1.2(0.8dB),動態(tài)范圍下限是 Pmin=7.23x10-9mW-81dBm.動態(tài)范圍的上限是受非線性指標限制的。有時動態(tài)范圍上限定義為放大器輸出功率呈現(xiàn)1dB壓縮點時的輸入功率值；有時要求更嚴格些，則定義為放大器非線性特性達到指定三階交

50、調(diào)系數(shù)時的輸入功率值。動態(tài)范圍上限值基本上取決于放大器末級FET的功率容量。小信號FET管1dB壓縮點輸入功率范圍是110dBm。若按前面的舉例，動態(tài)范圍將是 8090dB。1五、端口駐波比和反射損耗低噪聲放大器主要指標是噪聲系數(shù)，所以輸入匹配電路是按照噪聲最佳來設(shè)計的，其結(jié)果 必然偏離駐波比最佳的共軻匹配狀態(tài)，因此駐波比不會很好。此外，由于微波場效應晶體管或 雙極型晶體管，其增益特性大體上都按每倍頻程以6dB規(guī)律隨頻率升高而下降，為了獲得工作頻帶內(nèi)平坦增益特性，在輸入匹配電路和輸出匹配電路都是無耗電抗性電路情況下，只能彩低 頻端失配的方式壓低增益，以保持帶內(nèi)增益平坦，因此端品駐波比必然是隨頻

51、率降低而上升高。第七章功率放大器一、工作頻帶工作頻帶是指放大器應滿足全部性能指標的連續(xù)頻譜范圍。二、輸出功率像噪聲系統(tǒng)一樣，最好的功率匹配并不能得到最好的增益匹配，考慮放大器輸出功率時， 必須會影響增益。通常高功率器件的增益低于低功率器件的增益，而在寬帶系統(tǒng)中要想得到較 好的功率輸出是很難實現(xiàn)寬帶匹配。1、飽和輸出功率當功率放大器的輸入功率加大到某一值后，再加大輸入功率并不會改變輸出功率的大小， 該輸出功率稱為功率放大器的飽和輸出功率是個常數(shù)。在實際功率放大器中，在某一個頻率處 增加輸入功率，通常用相對某一個輸出功率處的飽和濃度表示，相應的輸出功率稱為飽和輸出 功率，典型的測量點是 7dB壓縮

52、點。2、1dB壓縮點輸出功率P1dB功率放大器增益壓縮1dB所對應的輸出功率稱為1dB壓縮點輸出功率，記作 P1dBo三、功率效率和功率附加效率功率放大器的功率效率4p是功率放大器的射頻輸出功率與供給晶體管的直流 功率之比。表示了功率放大器把直流功率轉(zhuǎn)換成射頻功率的能力，定義為：_射頻輸出功率 p 直流輸入功率對于雙極晶體管情況，“p稱為停電極效率，對于MOSEFT和MESFET,稱之為漏極 效率。顯然，這種定義并沒有考慮晶體管的放大能力，即具有相同功率效率的兩個 晶體管的功率增益可以差別很大。通常，在設(shè)計功率放大器時，希望用功率增益高 的功率晶體管。為此又給出另一種定義射頻輸出功率第寸頻輸入功率add =直流輸入功率7 ad(為功率放大器的功率附加效率，它反映了直流功率轉(zhuǎn)換成射頻功率的能力，又反映了放大射 功率的能力。很明顯，用功率附加效率刀add衡量功率放大器的功率 效率是比較合理的。四、交調(diào)失真交調(diào)失真是具有不同頻率的兩個或更多的輸入信號經(jīng)過功率放大器而產(chǎn)生的混合分量，它 是由于功率放大器的非線性造成的。若輸入L個信號，其角頻率分別是 3 1、3 2 3 3,由于功率放大器的非線性作用，輸出分量中將包含許多混合分量。m 3 i m 32 土p im、n、p=0, 1, 2, 各分量分別稱為（m+n+ +p）階交調(diào)分分量功率放大器的非線性越