微波固态电路课件：第二章微波集成电路基础

1、1,第二章,微波集成电路基础,2,主要内容,微带电路及其不连续性 阻抗变换 Wilkinson功分器 耦合器,3,2.1 微波集成传输线,MIC常用的微波传输线(transmission line ),（a）标准微带 （b）倒置微带 （c）悬置微带 Microstrip Suspended microstrip,（d）带线 Stripline （e）槽线Slot line,4,（f）共面波导 Coplanar waveguide,（g）鳍线 Fin line,MIC常用的微波传输线,5,微带线,加工方便，可用照相印刷工艺 易于与其它无源和有源器件集成 主要传播准TEM模,（a）同轴线(Coax

2、ial line ) （b）带线 （c）微带线,可理解为由同轴线演变而成：,特点：,使之成为微波集成电路中最流行的平面传输线,6,微带线也可看作是由双导线演变而来，其演变过程如下：,7,微带线的主模,传播方向的场分量很小，可忽略。此时可以看成微带线传输TEM波，但它与同轴线中的TEM有所区别，所以叫做准TEM波。,微带线中的介质是由空气和介质基片组成的混合介质系统，因此，在电磁波的传输方向存在电磁分量。,时,当:,8,微带线的相速phase velocity 当传输线全部由空气填充时,当传输线全部由介质填充时,当传输线部分填充介质时,此时，传输线相速,它表示：在微带线尺寸和特性阻抗不变的情况下

3、，用一均匀介质完全填充微带周围空气以取代微带的混合介质（空气介质和介质基片混合介质）。这种假设的均匀介质的介电常数,定义为有效相对介电常数。,dielectric constant,9,微带线的特性阻抗、波导波长,这里： 为空气微带的特性阻抗 为空气中的波长,此时，只需计算 和 ，即可得到微带线特性参量。,计算 和 的典型方法，是利用电磁理论和复变函数方法求解。目前用软件计算很方便。,传播波长和微带特性阻抗都随频率变化，称为色散。一般情况下，频率低于45GHz时，色散现象不严重。,characteristic impedance,Waveguide wavelength,定性结论： 1）特性阻

4、抗为一个实数； 2) 当W/h常数；,h=0.25mm，r 2.22，Zc50 ，W0.76mm h=0.25mm，r 9.6，Zc50 ，W0.25mm,3) 当 r 常数；高阻抗线窄，低阻抗线宽,h=0.25mm，r 9.6，Zc71 ，W0.11mm,W为微带线宽度，h为介质基片厚度。,11,微带线的损耗 即由导体损耗、介质损耗和辐射损耗三部分组成。,导体的衰减系数，与微带线的几何尺寸有关，取决于金属导体电导率和表面不平度，是微带线的主要损耗。,减小的方法： 选择表面电阻率小的材料，如银，铜，金等 导带厚度为趋肤深度的35倍； 提高导带表面光洁度。,12,介质损耗系数。电波在介质中传播的

5、损耗，取决于基片材料 其中 为介质的损耗正切角。是减少介质损耗 的根本（选用 小的介质材料）,辐射损耗，由微带电磁场结构的开放性引起， 与微带线的几何尺寸和特性参数相关。,13,微带尺寸的选择 微带线传输准TEM波，存在高次模式。为减少高次模式的影响，微带线的工作频率要在各高次模截止频率以下：,要求：,min为最短工作波长。,微带线中始终存在TM型表面波模（截止波长为无穷大）,只有在某一频率上，TM表面波模和准TEM波主模相速接近时，才产生强烈耦合，激发起TM 表面波。,14,悬置式微带线和倒置式微带线,特点： 比微带Q值高（5001500）； 阻抗(impedance )范围宽； 适用于滤波

6、器Filter。,（b）倒置微带 （c）悬置微带,15,带 线,在无源微波集成电路使用最广泛的传输线之一。主模是TEM。,槽 线,容易实现高阻抗线、短路电路； 传播模式基本是横电波（TE）。,16,共面波导,特点： 金属导体位于同一平面内（即在衬底的上表 面）； 优点： 安装集总参数元件很方便（不须在衬底上开孔或开 槽） ，无论并联或串联形式（有源和无源） 设计灵活； 准TEM模,17,鳍 线,特点：在矩形金属波导E面嵌入槽线所组成的一 种复合结构； 由TE和TM模式组成的混合模； 优点：混合集成、高Q、高频段； 分类： 单面鳍线、双面鳍线、对脊线,单面对称,单面不对称,18,基片介质与导体材

7、料,要求：微波损耗小、表面光滑度高、硬度强、韧性好、价格低。 最常用的基片介质是聚四氟乙烯纤维(环氧树脂)板、氧化铝陶瓷板和石英基片。 聚四氟乙烯纤维环氧树脂板价格便宜，双面用热压法覆铜，可直接光刻腐蚀电路，加工简便，应用广泛。 氧化铝陶瓷板的介质损耗小，表面光洁，介电常数高，制作的MIC小巧精致。但是氧化铝陶瓷板需真空镀膜，工艺复杂，成本高。,对于MIC来说，最常用的金属材料只是铜与金。,19,微带电路的设计与制作,加工概要 电路设计和工艺加工的要点,20,加工概要,基片处理研磨抛光，镀膜(蒸发、电镀)(陶瓷和石英) 金属层减薄（软基片） 版图制作图形放大，照相制版 光刻涂感光胶（甩胶），曝

8、光，腐蚀 孔化与电镀 元件焊接无源元件，有源元件,21,电路设计和工艺加工的要点,微带线边沿电场向两侧延伸，电场延伸距离大约等于2倍基片厚度。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。 侧向腐蚀裕量：一般情况下，可把微带线宽加出12倍金属膜厚作为腐蚀裕量。 接地通孔：用金属化通孔实现，孔直径大于线宽。 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(S参数参考面)。,管芯和梁式引线器件焊接： 勿用镊子直接动单片 金锡合剂，热压焊。,22,2.2 微波单片集成电路,概述 微波单片集成电路材料和加工技术 微波单片集成电路常用的元器件 微波

9、单片集成电路工艺过程 MMIC技术及应用,有源元件和无源元件都制作在一块砷化镓（GaAs）衬底上的电路称为微波单片集成电路,MMIC（Monolithic Microwave Integrated Circuit）,23,微波单片集成电路材料和加工技术,GaAs材料： 电子迁移率高，其电子迁移率是硅的6倍 漂移速度大，是硅的2倍 寄生电阻小，所以器件速度快； GaAs单晶生长： GaAs外延生长：,24,微波单片集成电路常用的元器件,有源(active)元件 绝大多数是砷化镓(GaAs)金属半导体势垒场效应管（简称为MES FET或FET）; 毫米波频段则是采用高迁移率晶体管（HEMT）和异质

10、结晶体管（HBT）; 正研究基于InP材料的MMIC，可将半导体光学器件如激光器和微波器件结合在一起，这对光电集成电路的发展以及光通信的发展会起重要作用。,25,无源平面元件（1）平面电感(inductor),（a）方形,（b）六边形,（c）圆形,26,（2）平面电容(capacitance ),（a）叉指式,（b）平板叠层式,27,（3）电阻(resistance ),半导体电阻 利用在离子注入沟道有源层时形成的N+或N-层，然后光刻出电阻的平面尺寸，通过腐蚀材料的厚度把阻值调到所需值。 薄膜电阻 采用淀积NiCr（镍-铬）薄膜，然后光刻成要求的图形，待做好欧姆接触后需进行热处理，以使NiC

11、r膜的电阻率达到稳定。 两者比较：薄膜电阻具有较高的精度和热稳定性，被广泛采用。但是在设计过程中应该考虑到趋肤效应，电阻值是频率的函数。,28,（4）其它特种元件,空气桥和通孔(via) ： 功能：元件互连及接地。 影响：寄生效应，视为一元件看待。 等效： 空气桥可视为一段传输线； 通孔简化为一段终端短路的短截线。,29,微波单片集成电路工艺过程,基本工艺技术 （1）光刻：精度亚微米 （2）离子注入 （3）薄膜淀积 （4）腐蚀 （5）电镀,30,MMIC技术及应用,适用频率范围：分米波的高端及厘米波和毫米波（包括亚毫米波） 优点： （1）体积小，重量轻，成本低； 与现有的微波混合集成电路（HM

12、IC）比较，体积可缩小90%99%，成本可降低80%90%。 （2）便于批量生产，一致性好； 采用半导体批量加工工艺，一旦设计定型后可大批量生产； 电路在制造过程中不需要调整。 （3）可用频率高，频带成倍加宽； 避免了有源器件管壳封装寄生参量的有害影响，所以电路工作频率和带宽大大提高。 （4）可靠性高，寿命长。 一般不需要外接元件，避免了内部元件的人工焊接，接点和互连线减少，整机零部件数大量减少，可靠性大大提高(可提高100倍)。,31,2.3 微带电路的不连续性Microstrip circuit discontinuity,微波电路不连续性 微带元件,32,微波电路不连续性,不连续性元件：

13、 开路、短路线、导体间的间隙、阻抗变换器、直角和非直角的弯头、T形或十字交叉结寄生电抗 对电路的影响： 窄带电路中频率偏移； 输入输出电压驻波比变差； 引起宽带IC电路增益起伏较大； 多功能电路中的接口受影响； 由于不连续性使电路性能变坏而使成品率降低； 在高增益放大器中造成表面波和辐射耦合引起振荡。,33,典型的微带线不连续性,（a）开路端Open,耦合线滤波器,34,（b）导体间的间隙,导体间的间隙Gap,35,（c）宽度跃变,阻抗变换器impedance transformer,36,（d）直角弯,帯切角和不带切角,37,（e）T型结,38,（f）交叉结,低阻抗短线,39,（g）半圆短路

14、线,40,（h）扇形分支,41,（a）微带线段,（b）线段等效电路,（c）终端开路分支,（d）开路分支等效电路,微带元件,（e）终端短路分支,（f）短路分支等效电路,不连续性纵向很短时，等效为单个电抗； 不连续性纵向较长时，等效为或T型网络。,42,微带线不连续性分析方法,电磁场全波分析 用电磁场数值解法求出不连续性在不同频率时的S参数，把不连续性当做一个用S参数矩阵代表的微波网络，包含了激发的多种高次模组合。 主要的电磁场数值解法有等效波导场匹配法、谱域法、直线法、有限元法、矩量法等。 优点：精度高； 缺点：速度慢,等效电路分析 根据电磁场数值解的S参数矩阵，或者经验公式（拟合公式）得出等效

15、电路模型中电感、电容、电阻等； 优点：计算速度快； 缺点：精度降低。,43,2.4 阻抗变换 Impendence conversionImpendence transformation,匹配(match)网络位于负载(load)和主传输线之间； 匹配网络一般是无耗(lossless )的，避免不必要的功率损耗； 通常设计成向匹配网络看去输入阻抗是Z0。 在匹配网络和负载之间有多次反射。,用于匹配负载到传输线的网络,44,阻抗匹配的好处,当负载与传输线匹配时（假定信号源是匹配的），可传送最大功率，并且在馈线上功率损耗最小。 对阻抗匹配灵敏的接收部件，如天线、低噪声放大器等，可改进系统的信噪比。

16、 在功率分配网络中，诸如天线阵馈电网络，阻抗匹配可降低振幅和相位误差。,45,实现匹配需考虑的几个方面,只要负载阻抗有非零实部，就能找到匹配网络； 考虑因素：复杂性、带宽、可行性和可调性； 复阻抗（器件的输入、输出阻抗）匹配到实阻抗（源、负载或传输线的特性阻抗）。,46,放大器最佳噪声匹配 最大功率增益 无反射匹配,匹配网络的电路形式： 集总参数或分布参数元件。,图2.12,47,并联导纳型（或串联阻抗型）匹配网络,（a）输入匹配电路,（b）输出匹配电路,微带分支线的终端开路或短路,48,分支线的终端常用开路型 如所需并联导纳为电感性可用短路型，缩短长度 实现微带的短路，要在基板上打通孔，孔壁

17、金属化：结构复杂，精度差。,短路分支线并联导纳式匹配电路,49,用作两级电路间的匹配电路 并联导纳值一定时，后者稍短或稍细。 后者存在两个谐振频率,T型与十字型并联导纳式匹配电路,T型并联导纳和十字并联双分支线,50,阻抗变换型的匹配电路,主传输线与负载匹配，用四分之一波长,级间匹配，用四分之一波长,主传输线与负载匹配,51,微带电路拓扑结构的选择原则,(1)微波的高频段，如工作在X频段或更高，宜选用微带阻抗跳变式的阻抗变换器。 不连续性计算容易、精度高、修正量小； 频率高时，微带线段物理尺寸往往是既短又宽，T型结构高次模影响大，计算精度下降。,（2）对于微波低频端，如S频段或更低端，宜选用分

18、支微带结构。 阻抗跳变式物理尺寸较长，阻抗变换结构电路尺寸过长。 T型结构不连续性相对小，计算误差影响减弱。,52,（3）当微波管输入阻抗为容性时，匹配电路第1个微带元件宜选用电感性微带单元； 当微波管输入阻抗为感性时，宜用电容性微带单元。 电感性微带元件包括终端短路分支线和高阻抗窄微带级联线段； 电容性微带元件包括终端开路分支线和低阻抗宽微带级联线段。,53,2.5 功率分配器和耦合器 power divider coupler,用途：完成功率分配或功率合成。 在功率分配器中，一个输入信号被分成两个或多个较小的功率信号。 功分器通常采用等分(3dB)形式，但也有不等分的情况。 耦合器可以是有

19、耗或无耗三端口器件，或者是四端口器件。三端口网络采用T型结或其他功分形式，而四端口网络采用定向耦合和混合网络形式。 定向耦合器则可以设计为任意功率分配比，但混合网络一般是等功率分配。混合结在输出端口之间有90(正交)或180相移。,54,Wilkinson功率分配器,微带等功分Wilkinson功分器,55,3dB功分器场仿真图,1端口,2端口,3端口,中心频率为3.70GHz,56,3dB功分器场S参数仿真结果,中心频率为3.70GHz,57,带宽约有一个倍频程，在大于一个倍频的带宽内可看到合适的平坦响应特性。只是在频带两端，负载阻抗影响了隔离度。 在功分阶梯前面加入一个变换器，可改善输入驻

20、波比（VSWR）。 采用多节来展宽频带。有可能获得十倍频程带宽，每节由一些四分之一波长线段组成。节数越多，得到的带宽越宽，隔离度也越大。,58,不等分Wilkinson功分器,若微带不等分Wilkinson功分器端口2和端口3之间的功率比是 ，则采用如下的设计公式：,59,N路Wilkinson功分器,微带N路等分Wilkinson功分器,60,耦合器,直接耦合式定向耦合器 分支线耦合器 Lange耦合器 混合环耦合器,61,四端口器件 常用的表示符号和端口定义。 耦合因数为 。 传输系数为 。 理想情况下，没有功率传送到端口4（隔离端口）。,直接耦合式定向耦合器,定向耦合器的两种常用表示符号 和常规功率流向,62,定向耦合器常用表征参量,耦合度=C=,方向性=D=,隔离度=I=,耦合端口和非耦合端口间的方向性为：D=I-C,63,微带电路定向耦合器。 与匹配变换器和功分器一样，可以采用多节结构来增加带宽。,微带定向耦合器,64,定向耦合器场仿真图,65,分支线耦合器,66,也称为分支电桥，其直通和耦合臂的输出之间有90相位差。 功率等分的3dB耦合器，制作容易，结构方便（它的输出端口位于同一侧，因而结构上易于同半导体器件结合，构成如平衡混频器、移相器和开关等集成电路）。 3dB分支线耦合器与