射频器件常用技术手册.docx

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射频器件常用技术手册

射频器件常用技术手册

1.概述

所谓微波电路，通常是指工作频段的波长在10m^1cm（即卩30MH»30GHz之间的电路。

此外，还有毫米波（30〜300GHZ及亚毫米波（150GHz-3000GHZ等。

实际上，对于工作频率较高的电路，人们也经常称为“高频电路”或“射频

（RF电路”等等。

由于微波电路的工作频率较高，因此在材料、结构、电路的形式、元器件以及设计方法等方面，与一般的低频电路和数字电路相比，有很多不同之处和许多独特的地方。

作为一个独立的专业领域，微波电路技术无论是在理论上，还是在材料、工艺、元器件、以及设计技术等方面，都已经发展得非常成熟，并且应用领域越来越广泛。

另外，随着大规模集成电路技术的飞速发展，目前芯片的工作速度已经超过了1GHz在这些高速电路的芯片、封装以及应用电路的设计中，一些微波电路的设计技术也已得到了充分的应用。

以往传统的低频电路和数字电路，与微波电路之间的界限将越来越模糊，相互间的借鉴和综合的技术应用也会越来越多。

2•微波电路的基本常识

2.1电路分类

2.1.1按照传输线分类

微波电路可以按照传输线的性质分类，如：

图2带状线

图4波导

|DIELECTRIC"

图5共面波导

2.1.2按照工艺分类

微波混合集成电路：

采用分离元件及分布参数电路混合集成。

微波集成电路（MIC）：

采用管芯及陶瓷基片。

微波单片集成电路（MMIC：

采用半导体工艺的微波集成电路。

图6微波混合集成电路示例

图7微波集成电路（MIC）示例

图8微波单片集成电路（MMIC示例

2.1.3微波电路还可以按照有源电路和无源电路分类。

其中，有源电路包括放大

器、振荡器等；无源电路包括分路器、耦合器、移相器、开关、混频器和滤波器等。

2.2常用的微波传输线电路元件和不连续性元件

图9传输线段

图10耦合线

图11开路线

图12短路线

Tw

图13直角拐弯线

W1

W2

图14阶梯线

—L*

图15渐变线

丁V

图17T型结

图16缝隙

J|厂

11丁

li48

T

+讨3卜

图18十字结

其他还有一些如扇形线、Lange耦合器、交指电容和螺旋电感等等。

2.3常用的微波元器件

这里主要介绍一些常用的贴装无源器件和微波半导体器件

图19片状叠层电容及单层电容

图20片状叠层电感及线绕电感

TenniiiaiMafera.

图21片状电阻

图22贴装可调电容

肿ooe

JREDVL

图23贴装电位器

X

图25微波三极管和场效应晶体管（封装及芯片）

2.4常用的微波介质基片

我们经常使用的微波介质材料如表1所示

表1几种经常使用的微波介质材料

名称

介电常数（£r）

备注

聚四氟乙烯玻璃纤维基片

2.7

国产、进口

陶瓷（AI2Q）基片（99%）

9.6

国产、进口

微波复合介质基片

可选

国产

RT/duroid5880

2.2

Rogers公司

RO4003

「3.38

Rogers公司

TMM10I

9.8

Rogers公司

RT/duroid?

SeriesR04000?

SeriesTMMSeries

图27Rogers公司生产的几种微波介质基片

3.微波网络及网络参数

3.1具有特定内容（含义）的特殊微波网络

3.1.1平行耦合线定向耦合器

ii一-三S

*

■■

-O'

图28平行耦合线定向耦合器

3.1.2兰格（Lange）定向耦合器

0

-5

图29Lange定向耦合器

3.1.3

威尔金森（Wilkinson）功分器/合路器

图30功分器/合路器

3.1.4阶梯阻抗变换器

图31阶梯阻抗变换器

3.1.5微带线低通滤波器

图32微带线低通滤波器

3.1.6平行耦合线带通滤波器

3.1.7其它，如交指滤波器、谢夫曼移相器及分支线定向耦合器等，也都具有固定（特定）的网络形式。

3.2一般网络

微波网络是由各种微波元件根据需要组合而成，所以网络的形式具有任意性。

上面介绍的那些特殊网络只是其中一些典型的形式而已。

一般来说，简单的网络通常是窄带的电路，如入g/4线。

这一点，在设计宽

带匹配电路时，需要引起注意。

3.3网络参数

我们经常使用S参数（即散射参数）来描述微波网络。

以下面的二端口网络为例。

图34二端口微波网络

在图34所示的二端口微波网络中，al和bl分别为端口1的归一化入射电压波和反射电压波；a2和b2分别为端口2的归一化入射电压波和反射电压波。

二端口微波网络的输入和输出之间的关系可以表示为

bl二sllals12a2b2二s21a1s22a2

一2b][a2-

式

（1）称做散射方程，S1叫散射矩阵或散射参数。

由式

（1）可以得出二端口网络的S参数为：

bl

S1仁二；a2£，即当端口2匹配时（ZL=Z0）,端口1的反射系数;

a1

S22=^||a1£，即当端口1匹配时（ZS=ZQ，端口2的反射系数;

a2

S12=^|a任，即当端口1匹配时，端口2到端口1的传输系数;

a2

b2|、，

S21=—a2£，即当端口2匹配时，端口1到端口2的传输系数。

a1

通过上面的分析我们可以看出，微波网络的S参数具有确定的物理意义。

实际上，我们以往所经常使用的如Z参数、丫参数和H参数等均可以通过计算与S参数互相换算。

但在微波频率上，只有S参数是可以测量出来的，这样也就解决了微波网络参数的测量问题。

另外，对于端口数为N的多端口网络，我们同样可以得到类似于式

（1）的表达式，这时S1为NXN维的矩阵。

4.史密斯（Smith）圆图

Smith圆图是一个非常有用的图形化的匹配电路设计和分析工具，且方便有

效，在微波电路设计过程中会经常用到。

另外，Smith圆图有阻抗圆图和导纳圆图两种形式，可以视具体情况选用。

「巧厶i舸

IPm

ContianlR

图35Smith阻抗圆图

图36Smith圆图的应用示例

TheCompleteSmithChart

BlackMagicDesign

□RtriDJ

图37图解用的Smith圆图标准图纸

由图35我们可以看到，在Smith阻抗圆图中存在等电阻圆、等电抗线、纯电阻线、电感平面（jCDL）、电容平面（1/jCDC）、开路点、短路点和50Q点等等。

当然，相对应的在导纳圆图中也存在等电导圆和等导纳线等。

5.微波电路的计算机辅助设计技术及常用的CAD软件

自20世纪70年代以来，微波电路CAD技术已经取得了很大的进步。

一方面是各CAD软件厂商推出了很多通用和专用的微波电路CAD软件产品，包括电原理图输入和微波电路的图形输入、电路的仿真和优化、容差分析、版图生成及输出、与测试仪器接口等功能，并有许许多多的电路模型库、元件库、半导体器件的线性模型库和非线性模型库等可供选择，应该可以说是功能强大、使用方便、应有尽有。

而另一方面，微波电路CAD软件也已被广泛应用于各种微波电路的设计，并成为微波工程师必须掌握的设计工具。

5.1常用的微波电路CAD软件

微波电路的CAD软件大致可以分成下面几类：

1线性/非线性微波电路仿真软件；

22.5D平面电路电磁场仿真软件；

33D电磁场仿真软件；

4系统仿真软件；

5专用电路的设计软件。

6排版软件

表2主要的微波电路CAD软件简介

序号

名称

主要性能

厂商

1

PADS

综合软件包

Agilent

2

Serenade

综合软件包

Ansoft

3

MWOffice

线性/非线性电路、2.5D电磁场仿真

AWR

4

PGENESYS

线性/非线性电路、滤波器设计等

Eagleware

5

MMICAD

线性/非线性电路设计

OPTOTEK

6

Momentum

2.5D平面电路电磁场仿真

Agilent

7

Ensemble

2.5D平面电路电磁场仿真

Ansoft

8

em

2.5D平面电路电磁场仿真

Sonnet

9

HFSS

3D电磁场仿真

Ansoft

10

MWStudio

3D电磁场仿真

CST

11

Symphony

系统仿真

Ansoft

12

Clementine

共形天线设计

Ansoft

13

Protel

电路板布线

PROTEL

14

AutoCAD

电路板布线

Autodesk

5.2微波电路计算计辅助设计-简介

微波电路计算计辅助设计（CAD技术是电子设计自动化（EDA技术的一个分支，用于射频及微波电路的计算机仿真和优化设计。

5.2.1微波电路CAM特点及主要内容

与其它电子EDA技术相比，微波电路CAC软件具有以下几个特点：

1必须有精确的传输线模型和各种器件模型；

2有时必须采用电磁场仿真等数值仿真工具；

3一般都具有S参数分析的功能。

在微波电路CAD技术中，各种传输线及其不均匀区模型、元件之间的寄生耦合模型以及微波有源器件的非线性模型等，在技术上的难度都非常大。

微波电路CAD包括线性微波电路的S参数计算、直流分析、线性/非线性噪声分析、非线性电路的瞬态分析、非线性电路的谐波分析（功率压缩、交调和谐

波特性等）、优化设计、容差分析、2.5D及3D电磁场仿真、布线和版图设计等，甚至还可以包括微波器件的建模和参数提取以及计算机辅助测试。

5.2.2常用的分析方法

线性电路：

采用等效电路模型和S参数矩阵级联计算。

非线性电路：

Spice、谐波平衡法、包络仿真法等。

电磁场仿真：

常采用矩量法和有限元法等数值计算方法。

5.2.3优化

给定电路的网络拓扑结构、各个元件的初始值，以及电路的设计指标的目标参数，CAD软件将自动改变各元件值，直到满足要求。

CAD软件通常都具有的，也是最常用的优化方法是随机优化和梯度法。

当然,

一些软件还提供了其它的优化方法供选择。

5.2.4设计步骤

微波电路CAD设计的步骤可大致总结如下：

1根据技术性能指标的要求，选择半导体器件。

2对于不需要半导体器件的微波无源电路，根据技术性能指标的要求，选择网络拓扑结构。

3根据所选器件的具体参数，设计匹配电路的拓扑结构。

4确定（或计算）电路中各个元件的初始值。

5根据技术性能指标的要求，设置优化目标（或参数）。

6根据经验或试验性地选择若干优化变量（或元件）。

7选择优化方法，并进行优化。

8进行容差分析。

9进行版图的设计并输出版图。

10进行性能指标的复核，进行版图的检查，并提出结构设计的要求。

5.2.5几点经验和建议

1必须保证器件选择、匹配电路或网络拓扑设计的正确性。

2电路中各元件初始值的选择应尽量准确。

这将有利于优化计算的快速收敛，并保证优化设计能够达到全局最优点，而不是局部的极小（或极大）点。

3对于存在多个优化目标参数的一般情况，应根据实际的需要，分出主次或考虑折衷，并进行加权。

4关于优化变量（或元件）的选择，一方面可以根据自己的经验，另一方面也可以先选择其中几个进行试探。

特别是当元件（或变量）较多时，一般不主张都选择为优化变量。

5对于优化方法的选择，通常是先随机法，后梯度法，这样将有助于使设计达到全局最优。

6在电路设计的过程中，必须要考虑元件标称值的因素。

另外对于分布参数电路，电路参数的取值必须要符合相应的工艺要求。

5.3设计举例

531例1：

2GHz低噪声放大器的设计

频率范围：

1.95〜2.05GHz;

管子型号:

AT-41411，为微波双极晶体管

CAD软件：

ADS

OptnnizainnofanplifierJiputandoutputmatchingnetworfeforgain,inputmatch,outputmabch,andnoisefgure.Thegoalsbelowarenotdsatisfied.

IW陆THE~CkafedLiTQilflFU血fenr

LIF1&

RtrJF

Cb-EfRcd~»C

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atcrttbcr-ffBStEfr

爲SrPARAMETERSI

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缸IMk出rlDGk

时1911k仙曲芦

GOAL

GMQWiblD

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HBU叩pIRUtlrR・gdl娜趾■『

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GOAL

IF

1_袒咄即翻咄!

七UMI}

C2

II

mnt超

7劭DCfaM

x^tamsuBx^tamsuB

20.0

16.0

12.0

8.00

4.00

0.000

-4.00

-8.00

-12.0

-16.0

-20.0

R-

ffiutlWtltH

GOAL

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OflinEdinoriiA.

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L=J2■睛2止七20*}

C-05|f^aiMb2pf}

GOAL

Gd

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MialMAJIaL-RT1'

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Hk-10

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Hk-Z2

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MrtMiW

yiFW■別w

RBVflWR扇Ok

砂iMNiKGtk

瞒GHz

C-Creltf

图382GHz低噪声放大器电路

0.000

Ten

TE

12^zlyrtams（B\n丁、amsrnc

-5.00

-10.0

-15.0

-20.0

-25.0

-30.0

-35.0

0.001004MI06QI0800.M®CIC2CIC40G6CIC8C23D2224（236（23BaGD0G

freq,Hz

0.00O04ME008MD1M0（20（30G0C80W0C20（30!

S0（8（O0G

freq,Hz

632

4.0

3.6

3.2

2.8

2.4

N2.0

1.6

1.2

0.8

0.4

0.0

\

/

\

/

*

/

n

i

0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4

2.62.83.0

freq,GHz

图382GHz低噪声放大器仿真结果

2:

5GHz发夹式微带线带通滤波器的设计

CAD软件：

Momentum

K-:

-3o:

-

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<<>><<>

图39发夹式带通滤波器电路图

C2SB\u（^g

o

-2

o

-3

o

-4

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垃

R■二亠|:

-:

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>公心以

-60

4.04.55.0

5.5

6.06.57.0

freq,GHz

图40发夹式带通滤波器仿真结果

6.一些常用的微波部件及其主要技术指标

在各种各样的微波电路中，放大器是相对最具有代表性的。

因此，我们作为重点对其进行介绍，而对于其它的电路，则只介绍其特殊的性能指标，同样的内容不再重复。

6.1放大器

1频率范围：

fl〜f2

2增益（G）:

G=Pout/Pin（3）

3噪声系数（NF）:

Si

（6）

（7）

（8）

式中Nx是出现在放大器的输出端，由放大器内部产生的噪声。

NF=10logF（5）

即NF=10log（Nx）

所以，噪声系数NF就代表了放大器自身噪声贡献的大小。

4输入、输出反射损耗及电压驻波比（VSWR

反射损耗（LR）是在输入信号保持不变的情况下，从短路器反射的电压与从被测负载反射的电压值比，并用dB表示。

JP丿

式中，p为被测负载的反射系数。

Lr

—1/10方

1+PVSWR=-.

1-P

51dB压缩点输出功率（P-1）:

随着输入功率的增加，当放大器的增益被压缩了1dB时的输出功率,

即为1dB压缩点输出功率。

P-1是表示一个放大器的非线性特性和输出能力的一项重要指标。

InputPower（dBm）

（lump）三9二0

图42放大器输入/输出功率关系曲线

6互调分量和交叉点

如图43所示，当频率为fl和f2的两个等幅信号同时加在放大器的输入端时，由于放大器非线性的影响，在输出端将出现互调失真的成份。

其中f2±fl为二阶互调分量，而2f1±f2为三阶互调分量。

另外，除非是对于宽带的电路，一般我们不考虑二阶互调失真的影响。

下面以三阶互调失真为例进行分析。

Pin

图43放大器互调失真示意图

图44是基波分量和三阶互调分量与输入功率之间的关系曲线。

将它们线性延长的交点，即为三阶交叉点（IP3）。

若IP3已知，那么我们就可以准确地预知三阶互调失真的大小。

—FUNDAMENTAL（f,,

1:

1SLOPt

------3ftOOROEflPRODUCTS（2f,±f3>3:

1SLOPE

图44基波分量、三阶互调分量和三阶交叉点

图46混频器

混频器可以进行下变频或上变频，其输出的有用信号分别为

fIF=

fRF-fLO

（11）

或

fRF=

:

fLO十fIF

（12）

而实际上混频器所输出的频率成份为

fout=m，fRF土nfLo（13）

其中除了有用的信号外，其它均为杂波，需要通过改进电路设计、适当增加本振功率等方法来提高混频器的动态范围，或者通过滤波器来抑制杂波。

由此就已经引出了频率的选择、计算和分配的问题了。

6.3频率合成器（包括振荡器）

1输出功率

2杂波、谐波抑制

3相位噪声

这里我们只介绍相位噪声的概念，不进行公式推导。

我们知道，所有实际应用的信号源都存在着不稳定性，即存在着无用的信号幅度、频率或相位起伏。

通常可将这些无用的频率或相位的起伏描述为相位噪声。

如图47所示，由于相位噪声的存在，引起载波频谱的扩展，其范围可以从偏离载波小于1Hz—直延伸到几MHz（加性噪声的影响）。

图48—个实际信号的频谱

图48为在频谱分析仪上实际观察到的RF信号的频谱。

对于一个实际的信号，一般存在下面三种情况：

a.由于器件老化等导致的长期不稳定性，需要经过长期观察才能看到。

b.由于电源起伏、振动等导致的短期不稳定性（即在v1s时间内的频率变化），为系统的、离散的信号，他们在信号的频谱边带上表现为截然不同的分量一杂散。

通常我们所说的杂散还包括一些寄生的杂波分量。

c.随机效应。

随机的和幕律噪声只产生随机的短期不稳定性，这就是

我们通常所说的相位噪声。

随机噪声包括热噪声、散粒噪声和闪烁噪声。

NoisePowerina1Ilzbandvjdtli

fotfllSignalPower

图49相位噪声的定义

如图49所示，（单边带）相位噪声通常用在相对于载波某一频偏处,

相对于载波电平的归一化1Hz带宽的功率谱密度表示（dBc/Hz）。

图50某10MHZ温补晶振（TCXO的相位噪声测试曲线

6.4滤波器

仅以带通滤波器为例：

图51带通滤波器（BPF的测试曲线

7.微波信道分系统的设计、计算和指标分配

本节仅就系统的噪声、增益、功率以及频率的指标分配问题作简单的讨论和分析。

7.1噪声系数的分配

图52接收系统方框图

（14）

对于图52所示的接收系统，系统的总噪声系数为

G1G1G2Gn斗

NF=10logF

所以，当第一级的增益（G1）足够大时，接收系统总的噪声系数NF就主要取决于第一级的噪声系数（NF1）。

也就是说，对于一个接收系统，要求第一级（通常是一个低噪声放大器）的噪声系数应尽可能小些，而增益应足够大。

增益和功率的分配

增益和功率（实际上也包括NF）的分配需要结合在一起来（折衷）考虑。

另外，在其分配的过程中所要遵循的主要有以下几点：

1一级的输出功率通常应满足：

Pout

2考虑该级G和P-1等的实际可能情况，亦即实际部件（或器件）的可实现性；

3功耗（如V,特别是I）；

4进行级联后的GNFP-1、IP3和I等的（复核）计算。

7.3频率的分配和计算

关于频率的分配和计算，需要注意以下几点：

1对于混频器，应计算mfRF土n-fLO的组合频率分量。

m和n—般可以取6阶左右；

2对于系统中的放大器、振荡器等，应考虑其谐波分量及三阶互调产物的影响；

3经常容易忽略的是各级之间的相互作用和影响，应综合考虑而不能只孤立地考虑某一级，或简单地认为在某一级是理想的（如后级是单频等）。

另外对于较复杂的系统，有时可能还需要考虑系统中各部分之间的耦合和串扰等。