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
Gd^I
Ccri-Ci
R-SnOiH
RR2
K=RbUl
VDG9UI
Wc-3fl¥
DsiEfflrnF
atcrttbcr-ffBStEfr
爲SrPARAMETERSI
5I'm聊
缸IMk出rlDGk
时1911k仙曲芦
GOAL
GMQWiblD
Hril
Mef
WE^tlORTcn呵
HBU叩pIRUtlrR・gdl娜趾■『
if
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
UCOxi
llpd心古s旳出
OflinEdinoriiA.■眈ip]
L=J2■睛2止七20*}
C-05|f^aiMb2pf}
GOAL
Gd
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F眄呻廿
SHl5llHE・W
MialMAJIaL-RT1'
Mfa=
Ifap
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Hk-10
fo--ID
Hk-Z2
iteghr
耐M=
Mgktia
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:
-
>・A£>-:
・l'r・*■_:
".丐•■_・■■>心>
r•「「I—
<<>><<>
图39发夹式带通滤波器电路图
C2SB\u（^g
o
-2
o
-3
o
-4
l-:
l-:
l:
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l■l:
-l-.l.r-l-:
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•I.l-:
垃
R■二亠|:
-:
宀|:
<|:
>|':
-:
」圧|:
<|:
<宀|:
>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：
Pout2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。
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