《有源微波电路》课件

有源微波电路有源微波电路是现代微波电子系统的核心组成部分，经过年的发展50历程，已成为雷达、通信、测量等系统中不可或缺的技术基础本课程将从基础理论出发，深入探讨有源微波器件的工作原理、设计方法和实用技术，为学生建立完整的微波电路知识体系课程概述1微波频段特征微波频段定义为到范围，具有波长短、频率高、穿透能力强300MHz300GHz等特点在这个频段内，电路的分布参数效应不能忽略，需要采用专门的分析和设计方法2有源与无源器件有源器件能够提供功率增益、产生振荡信号或实现频率变换，而无源器件主要起到传输、匹配和滤波作用两者配合构成完整的微波系统3应用领域广泛应用于雷达系统、无线通信、卫星通信、微波测量仪器等领域，是现代信息技术的重要支撑学习目标微波电子系统简介发射机结构接收机结构系统发展趋势典型微波发射机包括信号源、调制器、微波接收机通常采用超外差结构，包向着高集成度、低功耗、宽带化、多功率放大器、滤波器等有源和无源器括低噪声放大器、混频器、中频放大功能化方向发展毫米波技术、相控件信号从基带经过上变频、放大后器、检波器等接收灵敏度和动态范阵技术、软件无线电技术成为发展热通过天线发射围是重要指标点关键性能指标包括输出功率、频率稳现代接收机还需要考虑镜频抑制、杂通信、自动驾驶雷达等新兴应用5G定度、杂散抑制、调制精度等散响应、相位噪声等性能要求推动了微波技术的快速发展微波有源器件发展历史1真空电子器件时代年代，以磁控管、行波管、速调管为代表的真空电子器件1940-1960主导微波技术发展，功率大但体积庞大半导体器件革命2年代，硅和砷化镓半导体器件兴起，体积小、可靠性高，1960-1980推动了微波技术的普及应用集成电路时代3年代至今，微波单片集成电路（）技术成熟，实现了高度1980MMIC集成化和批量生产新材料新技术4氮化镓（）、碳化硅（）等宽禁带半导体材料，以及GaN SiCMEMS技术为微波器件带来新的发展机遇微波传输线基础传输线理论反射与匹配微波频段下，电路尺寸与波长可阻抗不匹配会产生反射，影响功比，必须考虑分布参数效应传率传输效率反射系数定义为Γ输线方程描述了电压和电流沿线反射波与入射波的比值的变化规律阻抗匹配是微波电路设计的基本特征阻抗、传播常数是传输线的要求，常用型、型、型匹配LπT重要参数，直接影响信号传输特网络实现性圆图应用Smith圆图是微波工程师的重要工具，可以直观地进行阻抗变换、匹配Smith网络设计、稳定性分析等通过圆图可以快速确定匹配元件的数值和位置，大大简化了设计过程散射参数（参数）S物理含义参数描述了网络各端口间的散射关系表示端口的反射系数，表示从端口到端口S S111S211的传输系数2参数是频域参数，完整描述了线性网络的小信号特性，便于级联分析和系统设计S测量技术使用矢量网络分析仪测量参数，需要进行校准以消除系统误差常用的校准方法包括S、、等SOL SOLTTRL测量频率范围、动态范围、测量精度是选择测试设备的重要指标参数转换参数可与、、等其他网络参数相互转换，方便不同分析需要S ZY ABCD在低频时参数退化为传统的网络参数，保持了理论的一致性和连续性S实例分析通过典型有源器件（如放大器、混频器）的参数分析，了解器件的增益、反射、隔离等S特性参数的频率特性反映了器件的宽带性能和潜在的不稳定因素S二端口网络模型参数模型Y参数模型Z导纳参数模型适用于并联导纳占主导的阻抗参数模型适用于串联阻抗占主导的网络分析网络分析参数模型ABCD传输参数模型便于级联网络的分析和计算参数转换参数模型S各种参数间存在确定的转换关系，可根据需要选择合适的参数散射参数模型是微波频段最常用的网络描述方法微波有源器件分类按物理结构分类按频率范围分类按功能分类二极管类器件、变波段器件，放大器件提供功率或电PIN L/S1-4GHz容、肖特基、、主要用于雷达和通信压增益IMPATT等Gunn振荡器件产生特定频率三极管类器件、波段器件的信号BJT X/Ku8-、、等，广泛用于卫星FET HBT HEMT18GHz混频器件实现频率变换通信功能毫米波器件30-开关器件控制信号通路，用于高分辨300GHz率雷达性能指标比较频率特性、功率容量、噪声性能、线性度是主要比较指标不同器件在各项指标上各有优劣，需根据应用需求选择微波半导体器件物理基础高频效应与噪声机理载流子传输机制寄生电容、寄生电感等寄生参数在高频时不能忽略，半导体材料特性在高频条件下，载流子的漂移速度、扩散过程和复需要在器件建模中充分考虑热噪声、散粒噪声、硅、砷化镓、氮化镓等半导体材料具有不同的禁带合机制都会发生变化速度饱和效应、热载流子效闪烁噪声是器件噪声的主要来源宽度、载流子迁移率和击穿电压材料特性直接决应等高场效应成为影响器件性能的重要因素深入理解物理机理有助于器件结构优化和电路设计，定了器件的频率响应和功率容量实现最佳的性能指标宽禁带半导体材料如和在高频大功率应用异质结结构可以通过能带工程优化载流子传输特性，GaN SiC中具有显著优势，成为下一代微波器件的重要选择提高器件的高频性能微波二极管二极管变容二极管肖特基二极管PIN二极管具有本征层，在正向偏置利用结耗尽层电容随反向电压变金属半导体接触形成的肖特基势垒PIN PN-时呈现可变电阻特性广泛用于微波化的特性，实现电压控制的可变电容二极管，具有低的正向压降和快的开开关、衰减器和限幅器主要用于电调滤波器、压控振荡器等关速度广泛用于检波器、混频器开关速度快、隔离度高、插入损耗小是二极管的主要优点驱动电路调谐比、值、线性度是变容二极管零偏检波特性使其特别适合于小信号PIN Q需要提供足够的正向电流和反向电压的关键参数超突变结构可以获得更检测应用温度稳定性和可靠性是设大的调谐范围计中需要重点考虑的因素微波晶体管基础HEMT最高频率性能HBT高功率密度FET电压控制型BJT电流控制型微波晶体管从最基本的双极型晶体管发展到场效应晶体管，再到异质结双极型晶体管和高电子迁移率晶体管每种器件都有其独特的优势和BJT FETHBTHEMT应用领域器件的发展方向是更高的工作频率、更大的功率容量、更低的噪声系数和更高的效率新材料和新结构的应用推动了微波晶体管技术的不断进步晶体管等效电路模型ft fmax截止频率最大振荡频率电流增益下降到时的频率功率增益下降到时的频率11gm Cgs跨导栅源电容输出电流对输入电压的导数影响输入阻抗的重要参数小信号等效电路用于线性分析，包括本征器件和寄生参数大信号模型考虑非线性效应，用于功率放大器设计不同频段需要采用不同精度的模型温度效应会影响器件参数，在宽温度范围应用中需要考虑参数的温度系数寄生效应在高频时变得重要，需要精确建模以保证设计精度晶体管高频特性微波放大器基础放大器分类按增益类型分为电压、电流、功率放大器增益定义功率增益、可用增益、转换增益的区别带宽特性带宽、增益平坦度、群延迟特性3dB微波放大器是有源微波电路的核心器件，其性能直接影响整个系统的指标放大器设计需要在增益、带宽、稳定性、噪声等多个方面进行权衡不同应用对放大器的要求不同低噪声放大器追求最小噪声系数，功率放大器追求最大输出功率，宽带放大器追求平坦的频率响应小信号微波放大器拓扑选择工作点设计共源、共栅、共漏等基本拓扑结构偏置电压和电流的选择，影响增益、的特点和应用场合线性度和功耗稳定性设计偏置电路防止寄生振荡，确保放大器在全频直流偏置与射频信号的隔离，温度段稳定工作稳定性考虑放大器稳定性分析稳定性是放大器设计的首要考虑因素无条件稳定要求在所有可能的源和负载阻抗条件下都不发生振荡稳定因子大于且小于是无Rollett K1Δ1条件稳定的充要条件稳定因子提供了另一种稳定性判据，在某些情况下比因子更直观稳定圆将圆图分为稳定和不稳定区域，为匹配网络设计提供指导μK Smith放大器增益分析增益类型定义应用场合典型数值功率增益输出功率与输入实际工作状态GP10-20dB功率之比可用增益负载匹配时的功器件评估GA12-22dB率增益转换增益输入输出同时匹最优设计GT15-25dB配的增益最大可用增益无条件稳定时的理论极限20-30dB最大增益MAG不同的增益定义反映了放大器在不同工作条件下的性能单向化近似可以简化增益分析，但在高频时需要考虑反向传输的影响增益平坦化技术包括负反馈、均衡网络等方法，可以在宽频带内获得平坦的增益响应放大器噪声分析噪声系数噪声参数最小噪声匹配噪声增益权衡，最小噪声系数、最在最优源阻抗下获得最小噪噪声匹配与功率匹配之间的NF=SNRin/SNRout NFmin衡量放大器噪声性能的关键优源阻抗、噪声电阻声系数折衷选择Γopt指标Rn低噪声放大器设计设计流程从器件选择开始，确定工作点，设计匹配网络，最后进行稳定化处理每个步骤都需要在噪声、增益、稳定性之间寻找最佳平衡器件选择选择具有低噪声系数、高增益的器件器件在低噪声应用中具有优HEMT势工作点选择要兼顾噪声性能和线性度要求匹配网络输入匹配网络优化噪声性能，输出匹配网络优化功率传输使用微带线、集总元件或两者结合的方式实现匹配4稳定化技术通过串联电阻、并联电阻或负反馈网络提高稳定性稳定化措施会影响噪声性能，需要仔细权衡功率放大器基础功率放大器设计负载牵引技术阻抗匹配设计通过改变负载阻抗来优化功率放大器的功率放大器的匹配网络设计不同于小信性能负载牵引测试可以确定最佳负载号放大器，需要考虑大信号工作条件下阻抗，实现最大输出功率、最高效率或的阻抗变化匹配网络还要承受较大的最佳线性度功率，元件的功率容量是重要考虑因素源牵引技术类似，通过优化源阻抗来改善放大器性能现代负载牵引系统可以多谐波匹配技术可以同时控制基波和谐进行有源负载牵引，扩大了可测试的阻波阻抗，提高效率和线性度类和逆F抗范围类放大器就是基于谐波控制理论设计F的稳定性与热设计功率放大器在大信号工作时容易产生低频振荡，需要特别的稳定化措施热阻抗分析和热设计对于功率器件至关重要，直接影响器件寿命和可靠性采用多级放大结构可以分散功率消耗，降低热应力先进的封装技术和散热材料为高功率密度设计提供了支持宽带放大器设计响应平坦化采用负反馈技术可以牺牲部分增益来换取更宽的带宽和更平坦的频率响应电阻性反馈、电容性反馈各有特点分布式放大器利用传输线的分布特性，将多个器件的栅极和漏极分别连接到传输线上，实现宽带放大带宽主要受传输线截止频率限制反馈技术应用串联反馈提高输入阻抗，并联反馈降低输出阻抗反馈量的选择需要在稳定性、增益、带宽之间找到平衡点4实际设计案例结合具体的宽带放大器设计实例，分析设计过程中的关键决策和权衡考虑，总结设计经验和教训平衡与差分放大器平衡结构原理端口隔离设计关键点利用对称结构抑制偶次输入输出端口间具有良对称性是设计的核心要谐波和共模干扰好的隔离特性求提高动态范围和线性度减少反射和相互干扰匹配精度直接影响平衡性能应用场景高线性度要求的通信系统抗干扰能力要求高的环境多级放大器设计级间匹配技术级间匹配不仅要考虑阻抗匹配，还要兼顾噪声传递和稳定性不同级的功能分工明确前级注重噪声性能，后级注重功率输出级间匹配网络的设计需要考虑各级器件的输入输出特性，以及整体性能指标的分配稳定性综合考虑多级放大器的稳定性分析比单级更复杂，需要考虑级间耦合效应每一级都要保证稳定，同时整体系统也要稳定适当的去耦措施和隔离技术可以减少级间相互影响，提高整体稳定性性能优化策略噪声系数主要由第一级决定，但后级的噪声贡献也不能忽略增益分配要合理，避免某一级过载或饱和带宽特性受各级影响，需要通过仿真分析确定最优的级间匹配方案微波振荡器基础振荡条件起振分析巴克豪森准则环路增益大于等于小信号起振条件和大信号稳态分析，相位条件为212πn相位噪声频率稳定性模型描述相位噪声的频率特短期稳定性和长期稳定性的影响因Leeson性素负阻振荡器负阻振荡原理二极管负阻振荡器晶体管负阻振荡器有源器件在特定偏置条件下呈现负阻、二极管等在微波频通过适当的反馈网络使晶体管呈现负IMPATT Gunn特性，与谐振电路结合形成振荡器段具有负阻特性这类振荡器结构简阻特性相比二极管振荡器，具有更负阻值必须大于电路的正阻损耗才能单，但频率稳定性和相位噪声性能有好的频率稳定性和更低的相位噪声维持振荡限负阻的频率特性决定了振荡器的工作通过外加谐振腔可以改善频率稳定性，设计时需要仔细控制反馈量，确保在频段，温度特性影响频率稳定性但会降低调谐范围工作频率范围内都能满足振荡条件反馈型振荡器反馈理论放大器与反馈网络构成的环路系统，当环路增益为且相位为时产生振荡10反馈网络既要提供正确的相位关系，又要决定振荡频率常见反馈结构振荡器、、等经典拓扑LC ColpittsHartley Clapp振荡器桥、移相式等，主要用于低频RC Wien晶体振荡器利用石英晶体的高值实现高稳定度Q稳定性设计振荡器设计需要在振荡条件满足和寄生振荡抑制之间找平衡适当的限幅机制保证输出幅度稳定频率调谐机械调谐通过可变电容或电感改变谐振频率电调谐使用变容二极管实现电压控制的频率调谐谐振电路选择谐振电路的选择直接影响振荡器的性能集总参数谐振电路体积小但值有限，传输线谐振电路在微波频段应用广泛，谐Q振腔具有极高的值但体积较大Q介质谐振器结合了高值和小体积的优点，在现代微波振荡器中应用越来越广泛温度补偿技术可以改善谐振器的温度特Q性设计VCO电压控制原理通过变容二极管实现电压控制的频率调谐变容二极管的电容值随反向偏压变化，从而改变谐振频率调谐灵敏度定义为频率变化与控制电压变化的比值Kv2线性调谐设计变容二极管的特性通常是非线性的，需要通过电路技术改善线性度采用C-V差分结构、预失真网络或线性化电路可以扩大线性调谐范围相位噪声优化的相位噪声主要来源于有源器件和谐振电路提高谐振电路的值、优化VCO Q有源器件的工作点、减少控制电压噪声都有助于改善相位噪声性能4温度补偿技术温度变化会影响器件参数和谐振频率，导致频率漂移采用温度补偿网络、恒温控制或数字校正技术可以提高频率稳定性锁相环技术基本结构包括鉴相器、环路滤波器、压控振荡器频率综合2通过分频器实现多种频率输出锁定特性环路带宽决定锁定时间和相位噪声锁相环技术是现代频率综合的核心，能够产生高稳定度、低相位噪声的信号微波面临的主要挑战是高频分频器设计和环路稳定性保PLL证数字采用数字鉴相器和数字滤波器，具有更好的灵活性和稳定性分数分频技术可以实现更精细的频率分辨率，满足现代通信系统的PLL需求微波混频器基础混频器设计二极管混频器晶体管混频器平衡混频器结构结构简单、频率范围宽、功率容量大混频器可以提供变频增益，改善系双平衡结构能够抑制偶次谐波和改善FET肖特基二极管是最常用的选择，具有统噪声系数栅极调制和漏极调制是端口隔离虽然电路复杂度增加，但低噪声和宽频带特性单二极管混频两种基本工作方式有源混频器设计性能显著提升现代集成电路技术使器结构最简单，但隔离度有限需要特别注意稳定性和线性度得平衡结构更容易实现频率倍增器高效率倍频优化设计实现最高效率1谐波选择2滤波网络选择所需谐波非线性器件3二极管或晶体管提供非线性倍频器利用非线性器件产生的谐波实现频率倍增设计关键在于优化基波功率传输和谐波滤波网络倍频效率随倍频次数增加而下降，通常采用多级倍频来达到所需的倍频比现代倍频器设计追求高效率和良好的杂散抑制变容二极管倍频器在毫米波频段应用广泛，而推挽式倍频器可以抑制偶次谐波，提高奇次谐波的纯度微波检波器-50dBm灵敏度最小可检测信号功率60dB动态范围线性检波的功率范围1MHz视频带宽检波输出的频率响应

0.8检波效率功率到视频功率的转换RF微波检波器将射频信号转换为视频信号，广泛用于功率测量、接收机、调制解调等应用肖特基二极管因其低噪声和快速响应特性成为首选器AGC件零偏检波技术消除了偏置电路，简化了设计并提高了灵敏度温度补偿和老化稳定性是检波器长期稳定工作的关键因素微波开关与衰减器二极管开关开关数字衰减器PIN FET二极管在正向偏置时呈现低阻抗，场效应晶体管通过栅压控制导通状态，通过多个衰减单元的组合实现数字控PIN反向偏置时呈现高阻抗，实现开关功具有控制功率小、驱动简单的优点制的衰减量调节常用二进制权重分能开关速度快、隔离度高是其主要但插入损耗通常比二极管开关大配，实现精确的衰减控制PIN优点温度稳定性和长期稳定性是数字衰减驱动电路需要提供足够的正向电流和开关是新兴技术，具有极低的器的重要指标先进的衰减器采用温MEMS反向电压开关时间主要由载流子存插入损耗和极高的隔离度，但开关速度补偿技术提高精度储时间决定，典型值为几十纳秒度较慢，主要用于要求不高的应用微波相移器相移原理数字相移器设计通过改变传输路径的电长度或负载阻采用开关网络选择不同的传输路径或抗实现相移数字相移器提供离散的负载状态常用二进制权重分配，如相移量，模拟相移器提供连续可调的、、、等

22.5°45°90°180°相移设计难点在于各相移位的幅度一致性反射型相移器利用反射系数的相位特和相位精度温度和频率变化会影响性，传输型相移器改变传输线的有效相移精度，需要采用补偿技术长度或介电常数连续相移技术变容二极管相移器通过电压控制实现连续相移，但相移范围有限铁氧体相移器利用磁场控制，相移范围大但体积较大液晶相移器是新兴技术，具有低功耗、大相移范围的优点，在相控阵天线中应用前景广阔微波调制器幅度调制相位调制频率调制数字调制通过控制放大器增益或利用相移器实现相位调通过调制的控制电现代通信系统广泛采用VCO衰减器衰减量实现幅度制，调制带宽受相移器压实现频率调制、等数字调PSK QAM调制响应速度限制制调制带宽和线性度是关二极管衰减器是常变容二极管相移器适用键性能指标调制器是实现复数PIN I/Q用的幅度调制器件于窄带相位调制调制的标准方案。