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最新射频基础知识1
第一部分射频基本概念
第一章常用概念
一、特性阻抗
特征阻抗是微波传输线的固有特性，它等于模式电压与模式电流之比。
对于TEM波传输线，特征阻抗又等于单位长度分布电抗与导纳之比。
无耗传输线的特征阻抗为实数，有耗传输线的特征阻抗为复数。
在做射频PCB板设计时，一定要考虑匹配问题，考虑信号线的特征阻抗是否等于所连接前后级部件的阻抗。
当不相等时则会产生反射，造成失真和功率损失。
反射系数（此处指电压反射系数）可以由下式计算得出：
二、驻波系数
驻波系数式衡量负载匹配程度的一个指标，它在数值上等于：
由反射系数的定义我们知道，反射系数的取值范围是0~1，而驻波系数的取值范围是1~正无穷大。
射频很多接口的驻波系数指标规定小于1.5。
三、信号的峰值功率
解释：
很多信号从时域观测并不是恒定包络，而是如下面图形所示。
峰值功率即是指以某种概率出现的尖峰的瞬态功率。
通常概率取为0.1%。
四、功率的dB表示
射频信号的功率常用dBm、dBW表示，它与mW、W的换算关系如下：
dBm=10logmW
dBW=10logW
例如信号功率为xW，利用dBm表示时其大小为
五、噪声
噪声是指在信号处理过程中遇到的无法确切预测的干扰信号（各类点频干扰不是算噪声）。
常见的噪声有来自外部的天电噪声，汽车的点火噪声，来自系统内部的热噪声，晶体管等在工作时产生的散粒噪声，信号与噪声的互调产物。
六、相位噪声
相位噪声是用来衡量本振等单音信号频谱纯度的一个指标，在时域表现为信号过零点的抖动。
理想的单音信号，在频域应为一脉冲，而实际的单音总有一定的频谱宽度，如下页所示。
一般的本振信号可以认为是随机过程对单音调相的过程，因此信号所具有的边带信号被称为相位噪声。
相位噪声在频域的可以这样定量描述：
偏离中心频率多少Hz处，单位带宽内的功率与总信号功率相比。
例如晶体的相位噪声可以这样描述：
偏离中心频率
10Hz
100Hz
1KHz
10KHz
单边相噪
-120dBc/Hz
-130dBc/Hz
-140dBc/Hz
-150dBc/Hz
七、噪声系数
噪声系数是用来衡量射频部件对小信号的处理能力，通常这样定义：
单元输入信噪比除输出信噪比，如下图：
对于线性单元，不会产生信号与噪声的互调产物及信号的失真，这时噪声系数可以用下式表示：
Pno表示输出噪声功率，Pni表示输入噪声功率，G为单元增益。
级联网络的噪声系数公式：
第二章发信机
一、发信机简介
v发信机实现了将调制信号调制并放大到合适的功率电平，以便于发信天线发射
v发信机主要有待调制信号处理部分、调制部分和功放三大部分组成
v发信机的核心单元是调制部分
v调制部分根据调制方法的差异，可以分为模拟调制、数字调制；幅度调制、频率调制和相位调制
v功放部分可以根据导通角不同分为A类、B类、AB类、C类等
二、发信机组成的基本框图
三、发调制部分
v发调制可以分为一次变频和两次变频两类。
v两次变频是指现在较低的频率上完成调制，在通过混频或倍频变为所需要的频率
v一次变频和两次变频相比具有电路设计难度大的劣势，具有成本低的优势
vBTS2.0采用了两次变频方案
vBTS3.0采用了一次变频方案
四、发信机指标
v发信机的指标主要分为三大类：
♦功率类
♦频率类
♦调制类
v对于任何发信机，最重要的指标就是发射功率
v对于不同系统的发信机，根据调制方法和协议的不同，测试指标也不尽相同，下面介绍几个典型的指标。
1、邻道泄露
邻道干扰指标是用来衡量发射机的带外辐射特性，定义：
邻道功率与主信道功率之比，通常用dBc表示，如下图：
2、杂散辐射
杂散辐射是指发信机发射的除信号之外的其他信号，它包括谐波分量、寄生辐射、交调产物、发射机互调产物等。
对该指标的规定是为了提高系统的电磁兼容性能，以便与其他系统共存，当然这也保证了系统自身的正常运行。
3、互调指标
发射机互调指标是来衡量多个发信机在一起工作时的相互干扰情况，设有两个发射机在一起工作，发信机B发射出的信号会经过发射机A的天线耦合至发信机A，从而与发信机A的信号产生交调，该交调称为发信机互调，如下图：
4、调制精度
调制精度指：
发射信号调制波形与理想调制波形之间的矢量误差的方差与发射信号功率比值，再开方。
第三章收信机
一、收信机简介
v收信机实现了将微弱的无线信号接收、放大和解调，恢复为基带信号
v收信机主要由高频部分、中频部分和基带处理部分组成
v最新的接收机在中频部分开始实现数字化，号称SoftwareRadio（软件无线电），BTS3.0已经采用了部分软件无线电技术，表现在中频采样，数字化处理。
二、超外差式接收机的框图
三、收信机指标
v收信机最基本的指标是接收灵敏度
v理论上接收机的极限接收灵敏度为
Pmin=lgKTB+NF+C/N
其中，K为波尔兹曼常数；T为信源绝对温度；B为等效噪声带宽；NF为系统噪声系数；C/N为解调门限载噪比
四、无畸变动态
无畸变动态指用来描述接收机不受三阶交调影响的整个接收信号电平范围，它的下限是所考虑带宽范围内的热噪声加上接收机噪声系数，它的上限是，系统产生的三阶交调产物刚好等于所考虑带宽范围内的热噪声加上接收机噪声系数时的信号电平。
利用接收机输入三阶截止点IP3可以方便用下式表示：
五、杂散响应
杂散响应也称为寄生响应、寄生灵敏度。
现在采用的接收机大都是超外差接收机，接收机接收到的能够与本振组合产生中频的信号很多，其中除主接收信号外的其他频点称为寄生波道，该频点产生的响应称为寄生响应。
由上式中看到，当m=n=1，假设取负号时，fr为所要信号，则m、n的其他组合所得到的fr为寄生波道。
六、邻道选择性
邻道选择是考核接收机在相邻频道有信号时的接收能力，它等于接收滤滤器（指中频滤波器）在邻道频点处的抑制与通带插损的比值，通常用dBc表示。
七、阻塞与互调抑制
阻塞指标是来考核接收机抗干扰能力，它描述的是接收机在接收的频道外存在单音或调制信号干扰，但干扰信号不在相邻频道或杂散响应频点上的情况，具体指标要求根据不同系统而定。
阻塞指标一般要求接收机前端要有较高的三阶截止点（即大的线性动态），同时要求中频滤波器有较好的选择性。
互调抑制同样是指接收机在工作时，同时有两个干扰信号进入接收机，这两个信号的三阶交调产物正好落在带内。
互调抑制主要要求接收机前端有较高的三阶截止点。
第二部分射频器件
第四章分布参数电路
一、微波传输线概述
微波集成电路的无源电路部分大都采用微带线构成的分布参数电路。
微带线是在低损耗介质板上制作的薄膜带条，它的结构可以理解为从同轴传输线演变而产生。
图1-5（a）是同轴传输线，图中实线箭头代表电力线，虚线是磁力线。
如果把外导体金属筒切开民成平板，由导体为薄，则构成对称三板带状线，如图1-5（b）所示。
上、下两平板为接地板，处在同一电位，中间薄膜条夹在两片介质板中。
若去掉上片介质板和金属板，就构成了微带线，如图1-5（c）所示。
图1-5（c）称为标准微带线。
此外，微带线还有许多变种形式，常用的几种如图1-6所示。
图1-6的几种结构各有优缺点，其共同特点都是在介质基片上刻蚀的平面薄膜电路。
由于介质的介电常数高，介质内波长短，因而微波集成电路尺寸得以缩小。
几种集成电路传输线的特性比较可参见表所列。
微波集成中路传输线特性
传输线
适宜的工作频率
（GHz）
可用的阻抗范围
（Ω）
传输线截面
传输线Q值
标准微带
1~100
15~100
小
低
悬置可倒置带线
1~150
20~150
小
中等
三板带线
0.5~40
15~100
小
低
槽线
2~60
60~200
中等
低
共面线
2~60
40~150
中等
低
鳍状线
30~150
20~400
中等
中等
二、介质基片与导体材料
基片是微波电磁场传输媒质，又是电路支撑体。
对基片的要求是微波损耗小，表面光滑度高、硬度强、韧性好、价格低。
常用的介质及其特性如表所列。
关于各种基片材料的特性和优缺点详见第十三章。
最常用的介质基板是聚四氟乙烯纤维环氧树脂板和氧化铝陶瓷板。
聚四氟乙烯纤维板价格便宜，双面用热压法覆以铜膜，可以直接光刻腐蚀成电路，加工简便，广泛用于1~12GHz波段的多种MIC电路。
微波集成电路基板材料
材料名称
表面粗糙度
（um）
10GHz时的
损耗正切
（10-4）
介电常数
导热率
（W/cm℃）
应用与特点
聚四氟乙烯纤维加强板
10~15
2.5~2.8
厘米波段MIC
价格低，加工容易
氧化铝（99%）
2~5
2~5
0.3
厘米波段至毫米波段
蓝宝石
0.5~1
1
9~9.5
0.4
毫米波MIC
人工复合介质
2~20
0.01~0.05
厘米波段，介电常数任意
高介陶瓷
1~2
20~80
0.01~0.05
用于小尺寸电路
Duroid
2.2~4.0
毫米波MIC
石英
0.1~0.5
1
3.8
0.01
毫米波MIC，但易碎
铁氧体
10
2~5
13~16
0.03
单向器件电路
氧化铍
2~10
1
6.6
2.5
导热好，用于功率器件
硅
1
10~100
12
1.5
MMIC
砷化镓
1
6
12.9
0.46
MMIC
磷化铟
14
0.68
MMIC
氧化铝陶瓷的介质损耗小，表面光洁，适宜于较高频段，而且介电常数高，制作的MIC小巧精致。
但是陶瓷板需要真空镀膜，如工复杂，成本高。
基片厚度大多数为0.5~1.0mm，毫米波段则用0.2~0.3mm为宜。
基片过薄时，强度差，聚四氟乙烯纤维板容易翘曲，氧化铝陶瓷则易碎；基片过厚时，同样微波特性阻抗的微带线宽度过大，可能产生横向高次电磁场模式，也可能在基板厚度方向产生表面波模式，因而影响了电路的正常工作。
对微带线金属膜材料的基本要求是：
电导率高、稳定不氧化、蚀刻性好、容易焊接、容易淀积或电镀，对基板附着力强。
表1-8给出一些常用金属导体材料。
对于MIC来说，最常用的金属材料只是铜与金。
材料
表面电阻率
（f单位：
HZ）
趋肤浓度
2GHZ
（μm）
热膨胀系数
（10-8/℃）
与介质附着力
工艺方法
银（Ag）
2.5
1.4
21
差
蒸发
铜（Cu）
2.6
1.5
18
差
电镀蒸发、化学淀积
金（Au）
3.0
1.7
15
差
电镀、蒸发
铝（Al）
3.3
1.9
26
差
蒸发
铬（Cr）
4.7
2.7
9
好
蒸发
钯（pd）
3.6
11
中
蒸发、电镀、溅射
钽（Ta）
7.2
4.0
6.6
好
溅时
三、标准微带线
1、微带线中的电磁场
微带线是MIC的基本元件，不论是MIC的使用者不是电路设计人都必须对微带线特性具有清楚的概念。
微带线的结构与电磁场分布如图所示。
微带线基板厚度为H，相对介电常数为εr。
当介电常数远大于空气介电常数εo，而且频率较低时，电磁场基本上存于介质基板内。
此时的电磁场模式可认为是横电磁波，即TEM波。
但实际上总会有一小部分电磁场存在于空气中，在空气和基板交界面处出现电向分量，因此称之为准TEM波。
微带线上的电流密度分布如图1-17（c）所示，微带边沿电流密度大，是电流损耗的主要组成部分。
2、微带线参数
微带线的主要电参数是特性阻抗Zo，传播波长λg和有效介电常数εe。
根据微波传输线特性阻抗Z的定义
式中L-单位线长的电咸；
C——单位线长的电容。
如果把基片介电常数设为理想值εro=1，此时的特性阴抗用z01表示。
当基片有效介电常数为εe时，微带线特性阻抗Zo将是
微带中波长λg和空气中波和λo关系是
有效介电常数的数值是由电磁场分布决定的。
如果电磁场全部处于介质中,则εe=εr，但是由于电磁场的一部分存在于εo=1的空气中，因此εg<εr,εe的严格计算是比较复杂的，不仅微带电磁场分布不规则，而且随着电波频率的升高，电磁场的纵向分量增加，磁场纵向分量增长比电磁纵向分量增长还要快。
因此εe也随频率变化，传播波长和微带特性阻抗都随之而变。
这就是色散现象。
一般情况下，频率低于4~5GHZ时，色散现象不严重。
随后，εe将随频率增加而增加，例如12GHZ时的εe将比4GHZ时大约增长5%左右。
3、微带元件
（1）基本微带元件
最常用的基本微带元件及其等效电路如图1-8所示。
微带线段等效电路元件图（d）表达式是
jωL=jZosinθ
细微带的特性阻抗Zo较高，微带线段具有串联电感作用；宽微带的特性阻抗低，等效为并联电容。
微带线并联开路分支图（c）的等效电路元件为
当分支线长度
即机械长度小于
时，则等效为感抗。
微带线并联短路分支图（c）的等效电路元件为
当分支线长度
<90°时，并联短路分支等效为并联感抗
>90°时，等效为容抗。
用这三种微带元件即可组成变化多端的各种微带电路。
四、槽线与共面线
槽线和共面线是MIC中常用的传输线，其共同特点是接地面与传输线在同一平面上。
1、槽线
槽线的结构和电路分布如图所示。
槽线中的磁场分布是纵向的，所以传播的电磁场不是TEM波，基本上属于TE波（横电波）。
主要的优点缺点如下：
（1）容易安装有源器件。
由于全部导体在同一平面上，安装半导体有源器件时，无需像微带那样在基片上打孔控槽。
简化了工艺，增加了可靠性，便于集成。
（2）容易获得较高阻抗。
标准微带线的特性阻抗最高可做到150Ω。
阻抗再高时，微带线太细，工艺误差过大，而且容易断线，而槽线分布电容小，阻抗高得多。
（3）占据基片面积大。
相应的集成电路尺寸要增大。
（4）难于获得低阻抗。
细小槽缝的工艺加工困难
2、共面线
1-13所示。
外侧两条金属膜是接地面，传播的波也是准TEM模。
它的优点也是容易安装有源器件，尤其是对于平衡混频器等两支对称二极管的电路非常方便。
当基片常数较高时，电场大部分集中在介质中；介质中波长短，同样可以获得小尺寸集成电路。
五、MIC电路设计和工艺加工的要点
11、微带线条
微带线边沿电场向两侧延伸，如图1-7（b）所示，电场延伸距离大约等于2倍基片厚度。
因此为避免线间耦合，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。
微带的特性阻抗抗通常宜保持在120~10Ω之间，特性阻抗过高，线条小于0.1mm时，很难保证尺寸精度。
2、侧向腐蚀裕量
光刻腐蚀微带线时，由于存在侧向腐蚀作用，光刻所得的线条宽度比保护膜宽度要窄。
线条变窄的比率和很多工艺因素有关。
在化学药液消耗大的局部区域，浓度降低，腐蚀速率降低，而z药液流动性好的区域，保持较高较高浓率，各处也不全一样。
一般情况下，可把微带线宽加出1~2倍金属膜厚作为腐蚀裕量。
具体裕量值可根据各厂家工艺具体情况凭经验确定。
总体来说，金属膜薄，而且腐蚀时不停搅动，可以减小侧向腐蚀误差和保持微带边沿光整。
3、接地通孔
微带接地是用金属化通孔实现的。
微带终端接地孔直径必须大于微带线宽，否则将存在较大接地电感。
对大面积接地情况，可设计成排的密排小孔。
孔径设计值不宜小于0.5mm，否则对孔壁进行化学沉积金属层时不易保证质量。
4、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。
因为设计电路时所用的器件S参数是从管壳边实测的，否则管脚引线效应将影响电路性能。
微波半导体管焊接前容易损坏。
应该用非金属镊子取拿，不能用手直接触摸，以免人体静电使微波管损坏。
焊接操作时，手腕上宜带防静电接地链，地面铺导电橡胶垫。
焊剂用熔点为150℃以下的低温焊锡，全电路各无源元件焊装之后再焊接有源器件。
5、管芯和梁式引线器件焊接
管芯和梁式引线器件不仅尺寸极小，而且更容易被损坏。
有些单片集成电路中有空气桥，此种芯片和MIC混合组装时，更要注意，用镊子直接夹持或触动有源区。
大部分管芯北面有金属化层，可以接在底板上。
焊料常用锡金合剂（含金20%），以避免焊接过程中熔掉管芯的镀金层。
焊接时宜采用热气浴焊，外引线也可以用热压焊，但不宜用超声压焊。
第五章微波二极管
一、低噪声双极晶体管
普通三极管中常彩的频率参数，如共基极截止频率fa，共射极截止频率
甚至特征频率
（也称增益带宽积）在微波应用中，实用意义不大，微波低噪声管最重要的微波电参数就是功率增益Gp，和噪声系数Nf（1dB压缩输出功率P1dB将在功率管中讨论。
）
1、功率增益Gp和S参数
功率增益Gp定义为，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
Gp=Po/Pi
对于低噪声晶体管，手册中给出的常常是对应最小噪声系数状态下的功率增益，称相关增益，常以Ga表示。
对于小信号微波晶体管放大器的功率增益可采用下式进行设计；
式中Ys——实际源导纳，Ys=Gs+jBs;
Yog——相应最大可用功率增益Gmax时的最佳源导纳，Yog+jBog;
Gp——实际源导纳Ys下的功率增益；
Gmax——最佳源导纳Yog下的最大可用功率增益；
Rg——增益电阻。
常数，可以计算也可以测量求得。
Gp等于常数的轨迹是在史密斯圆图上，即要求把晶体管作为一个四端网络，由生产厂提供必要的网络参数。
在低频时可提供h参数，在高频时常提供Y参数，到了微波频率应提供是S参数。
S参数是一组四个复数参数，即S11、S21和S22。
微波晶体管的S参数可用输入和输出电流i1和i2，输入和输出阻抗Zin和Zout以及输入和输出端所接无损传输的特性阻抗Zo表示。
S11=输入反射系数，当输出接上匹配负载时（ZL=Zo）
S21=正向传输系数，当输出接上匹配负载时（ZL=Zo）
S12=反向传输系数，当输入接上匹配负载时（Zs=Zo）
S22=输出反射系数，当输入接上匹配负载时（ZL=Zo）
式中，Z，是实际信源阻抗，Zs=1/Y，rf和rr是微波晶体管的正向和反向电流传输因数：
各个频率下的S参数可以采用微波网络分析仪（如HP8510）在50Ω的微波系统中测得。
因为S参数是晶体管工作频率和工作点的函数，所以设计时要注意选用相对的S参数数据。
S参数对于线性小功率放大器的增益带宽设计是一组非常重要的电参数，而且目前已达到很高的准确性。
只要生产工艺稳定，对于同一管型的晶体管，其S参数离散很小，因而无需对每只晶体管都进行测试，往往是抽测部分样品，给出该产品的典型值。
2、噪声系数Nf和噪声参数
晶体管噪声系数Nf的基本定义是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。
由式（3-15）还可以把噪声系数理解为Gp=1时的噪声放大倍数。
双极管的噪声系数是频率和工作点的函数，其噪声系数随频率的变化如图3-4所示。
它可分为三个噪声区。
（1）低于频率f1时，是1/f噪声区，其噪声源主要由载流子的表面复合与产生引起，这随频率呈2dB/倍频程的规律下降。
f1的系数值取决于晶体管的结构和制作工艺，目前良好的半导体工艺已可使f1达到十几赫，甚至更低，这就是所谓的低频低噪声晶体管。
（2）在f1和f2之间的频率区称为白噪声区，这时晶体管中的噪声源主要是热噪声和散粒噪声，所以这线性工作频率无关，保持一个恒定的噪声系数。
图中的
（3）当频率超过f2时，噪声系数开始上升，当升高3dB时，达到频率
为发射极电阻，随后噪声系数将以6dB/倍额的规律上升，这是由于晶体管的功率增益已开始以6dB/倍频的规律下降，微波低噪声晶体的研制任务就是要尽量降低白噪声区的噪声系数，并将f2向高端推移，实际的硅微波低噪声晶体管绝大部分都工作在f2~fN之间的频率范围。
二、功率双极晶体管
1、输出功率Po和最佳负载
耗散功率大于1W的晶体管被定义为功率晶体管，它和低功率管的不同之处在与功率管的要求各更大的电流容量以提高输出功率。
为提高电流容量就要增大发射极周长以及发射区和基区面积，微波功率管的设计就是要求在尽可能小的基区面积内（满足功率要求）获得最小的发射结面积和最大的发射极周长，这就比低噪声管有更多的结构形式。
目前常用的有三种电极结构，即梳状结构、覆盖结构和网状结构。
晶体管的输出功率本质上取决于自身的电流和电压的承受能力，微波功率管由于应用场合不同，有几种输出功率定义，不同定义的输出功率值差判别很大，下面是几种常用的输出功率定义。
（1）饱和输出功率Po
这是指微波功率管在特定的测试条件下，所能获得的最大输出功率，如图3-8所示。
为安全起见，实际功率管不可能工作在最大的饱和功率状态，而是将接近饱和输出功率的某一较大值作为饱和输出功率Po。
它反映了连续波使用时，功率管的最大可输出功率。
它都在丙类（或C类）工作时测得，处于很强的非线性工作状态，失真较为严重。
（2）线性输出功率P1dB
也称1dB增益压缩时的输出功率。
晶体管在小信号工作时，其功率增益值保持不变，即图3-8中直线段的斜率，但随着输入信号的增大，晶体管开始进入非线性区，这时功率增益将随输入增加而逐渐下降，当增益下降到比线性增益低2dB时，所对应的输出功率即定义为1dB压缩输出功率P1dB，有时也简称为线性输出功率，在多路通信应用中，对信号失真有较高的要求，所以应以P1dB作为对功率管的衡量指标。
功率管的最在输出功率，除与晶体管本身性能的好环有关外，还和负载阻抗关系极大。
在线性网络设计中，为获得最大输出功率，常采用共轭匹配，但对功率管由于其输入、输出阻抗的非线性，不可能实现共轭匹配。
但是，可以找到一个变换网络，这个网络可将50Ω负载变换到这样一个阻抗，其实部RL可在集电极电压Vcc下获得最大输出功率，其虚部可将晶体管内部寄生元件（Le,Lb和Cc等）调谐掉。
这个变换网络所变换成的阻抗，称为最佳负载阻抗，也称动态输出阻抗，下面在功率增益中还将进行讨论。
2、功率增益Gp和大信号动态参数
功率晶体管的功率增闪本质上取决于晶体管的fT及其动态阻抗。
其定义与低噪声等完全相同，不过功率的测试往往是照顾获得最大输出功率Po，而对应的增益Gp就不是最大（两者不可能同时最大），一般给出的Gp值都与输出功率状态相对应。
功率管由于结面积增大，其输入阻抗大大降低，发射极引线电感Le的负反馈影响也大增加，其功率增益表示式为
式中RL——负载电阻；
Re（Zin）——动态输入阻抗实部；
ωr——截止角频率且ωr=2πFT。
这是器件研制者常采用的设计公式。
由于功率放大器是非线性工作，小信号线性分析已不适用，这给功率放大器的设计带来更多的困难，目前实际设计常采用以下三种方法，即动态阻抗法、大信号S参数法和负载和负载牵引法，因而对功率晶体要求给出各种相应的附加参数。
3、热阻
对于行定的功率，其热阻一般是固定的，这取决于晶体管的结构设计和工艺水平。
使用中要注意的是生产厂给出的热阻指标都要给出相应的壳温或散热器温度
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