1、1,第二章,微波集成電路基礎(chǔ),2,主要內(nèi)容,微帶電路及其不連續(xù)性 阻抗變換 Wilkinson功分器 耦合器,3,2.1 微波集成傳輸線,MIC常用的微波傳輸線(transmission line ),（a）標(biāo)準(zhǔn)微帶 （b）倒置微帶 （c）懸置微帶 Microstrip Suspended microstrip,（d）帶線 Stripline （e）槽線Slot line,4,（f）共面波導(dǎo) Coplanar waveguide,（g）鰭線 Fin line,MIC常用的微波傳輸線,5,微帶線,加工方便，可用照相印刷工藝 易于與其它無源和有源器件集成 主要傳播準(zhǔn)TEM模,（a）同軸線(Coax

2、ial line ) （b）帶線 （c）微帶線,可理解為由同軸線演變而成：,特點(diǎn)：,使之成為微波集成電路中最流行的平面?zhèn)鬏斁€,6,微帶線也可看作是由雙導(dǎo)線演變而來，其演變過程如下：,7,微帶線的主模,傳播方向的場(chǎng)分量很小，可忽略。此時(shí)可以看成微帶線傳輸TEM波，但它與同軸線中的TEM有所區(qū)別，所以叫做準(zhǔn)TEM波。,微帶線中的介質(zhì)是由空氣和介質(zhì)基片組成的混合介質(zhì)系統(tǒng)，因此，在電磁波的傳輸方向存在電磁分量。,時(shí),當(dāng):,8,微帶線的相速phase velocity 當(dāng)傳輸線全部由空氣填充時(shí),當(dāng)傳輸線全部由介質(zhì)填充時(shí),當(dāng)傳輸線部分填充介質(zhì)時(shí),此時(shí)，傳輸線相速,它表示：在微帶線尺寸和特性阻抗不變的情況下

3、，用一均勻介質(zhì)完全填充微帶周圍空氣以取代微帶的混合介質(zhì)（空氣介質(zhì)和介質(zhì)基片混合介質(zhì)）。這種假設(shè)的均勻介質(zhì)的介電常數(shù),定義為有效相對(duì)介電常數(shù)。,dielectric constant,9,微帶線的特性阻抗、波導(dǎo)波長(zhǎng),這里： 為空氣微帶的特性阻抗 為空氣中的波長(zhǎng),此時(shí)，只需計(jì)算 和 ，即可得到微帶線特性參量。,計(jì)算 和 的典型方法，是利用電磁理論和復(fù)變函數(shù)方法求解。目前用軟件計(jì)算很方便。,傳播波長(zhǎng)和微帶特性阻抗都隨頻率變化，稱為色散。一般情況下，頻率低于45GHz時(shí)，色散現(xiàn)象不嚴(yán)重。,characteristic impedance,Waveguide wavelength,定性結(jié)論： 1）特性阻

4、抗為一個(gè)實(shí)數(shù)； 2) 當(dāng)W/h常數(shù)；,h=0.25mm，r 2.22，Zc50 ，W0.76mm h=0.25mm，r 9.6，Zc50 ，W0.25mm,3) 當(dāng) r 常數(shù)；高阻抗線窄，低阻抗線寬,h=0.25mm，r 9.6，Zc71 ，W0.11mm,W為微帶線寬度，h為介質(zhì)基片厚度。,11,微帶線的損耗 即由導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗三部分組成。,導(dǎo)體的衰減系數(shù)，與微帶線的幾何尺寸有關(guān)，取決于金屬導(dǎo)體電導(dǎo)率和表面不平度，是微帶線的主要損耗。,減小的方法： 選擇表面電阻率小的材料，如銀，銅，金等 導(dǎo)帶厚度為趨膚深度的35倍； 提高導(dǎo)帶表面光潔度。,12,介質(zhì)損耗系數(shù)。電波在介質(zhì)中傳播的

5、損耗，取決于基片材料 其中 為介質(zhì)的損耗正切角。是減少介質(zhì)損耗 的根本（選用 小的介質(zhì)材料）,輻射損耗，由微帶電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的開放性引起， 與微帶線的幾何尺寸和特性參數(shù)相關(guān)。,13,微帶尺寸的選擇 微帶線傳輸準(zhǔn)TEM波，存在高次模式。為減少高次模式的影響，微帶線的工作頻率要在各高次模截止頻率以下：,要求：,min為最短工作波長(zhǎng)。,微帶線中始終存在TM型表面波模（截止波長(zhǎng)為無窮大）,只有在某一頻率上，TM表面波模和準(zhǔn)TEM波主模相速接近時(shí)，才產(chǎn)生強(qiáng)烈耦合，激發(fā)起TM 表面波。,14,懸置式微帶線和倒置式微帶線,特點(diǎn)： 比微帶Q值高（5001500）； 阻抗(impedance )范圍寬； 適用于濾波

6、器Filter。,（b）倒置微帶 （c）懸置微帶,15,帶 線,在無源微波集成電路使用最廣泛的傳輸線之一。主模是TEM。,槽 線,容易實(shí)現(xiàn)高阻抗線、短路電路； 傳播模式基本是橫電波（TE）。,16,共面波導(dǎo),特點(diǎn)： 金屬導(dǎo)體位于同一平面內(nèi)（即在襯底的上表 面）； 優(yōu)點(diǎn)： 安裝集總參數(shù)元件很方便（不須在襯底上開孔或開 槽） ，無論并聯(lián)或串聯(lián)形式（有源和無源） 設(shè)計(jì)靈活； 準(zhǔn)TEM模,17,鰭 線,特點(diǎn)：在矩形金屬波導(dǎo)E面嵌入槽線所組成的一 種復(fù)合結(jié)構(gòu)； 由TE和TM模式組成的混合模； 優(yōu)點(diǎn)：混合集成、高Q、高頻段； 分類： 單面鰭線、雙面鰭線、對(duì)脊線,單面對(duì)稱,單面不對(duì)稱,18,基片介質(zhì)與導(dǎo)體材

7、料,要求：微波損耗小、表面光滑度高、硬度強(qiáng)、韌性好、價(jià)格低。 最常用的基片介質(zhì)是聚四氟乙烯纖維(環(huán)氧樹脂)板、氧化鋁陶瓷板和石英基片。 聚四氟乙烯纖維環(huán)氧樹脂板價(jià)格便宜，雙面用熱壓法覆銅，可直接光刻腐蝕電路，加工簡(jiǎn)便，應(yīng)用廣泛。 氧化鋁陶瓷板的介質(zhì)損耗小，表面光潔，介電常數(shù)高，制作的MIC小巧精致。但是氧化鋁陶瓷板需真空鍍膜，工藝復(fù)雜，成本高。,對(duì)于MIC來說，最常用的金屬材料只是銅與金。,19,微帶電路的設(shè)計(jì)與制作,加工概要 電路設(shè)計(jì)和工藝加工的要點(diǎn),20,加工概要,基片處理研磨拋光，鍍膜(蒸發(fā)、電鍍)(陶瓷和石英) 金屬層減?。ㄜ浕?版圖制作圖形放大，照相制版 光刻涂感光膠（甩膠），曝

8、光，腐蝕 孔化與電鍍 元件焊接無源元件，有源元件,21,電路設(shè)計(jì)和工藝加工的要點(diǎn),微帶線邊沿電場(chǎng)向兩側(cè)延伸，電場(chǎng)延伸距離大約等于2倍基片厚度。為避免線間耦合，微帶線間距離以及微帶至外盒邊壁距離應(yīng)保持為基片厚度的4倍以上。 側(cè)向腐蝕裕量：一般情況下，可把微帶線寬加出12倍金屬膜厚作為腐蝕裕量。 接地通孔：用金屬化通孔實(shí)現(xiàn)，孔直徑大于線寬。 有封裝晶體管焊接：管腳引線和微帶電路焊接時(shí)，必須焊至管腳靠近管殼的根部(S參數(shù)參考面)。,管芯和梁式引線器件焊接： 勿用鑷子直接動(dòng)單片 金錫合劑，熱壓焊。,22,2.2 微波單片集成電路,概述 微波單片集成電路材料和加工技術(shù) 微波單片集成電路常用的元器件 微波

9、單片集成電路工藝過程 MMIC技術(shù)及應(yīng)用,有源元件和無源元件都制作在一塊砷化鎵（GaAs）襯底上的電路稱為微波單片集成電路,MMIC（Monolithic Microwave Integrated Circuit）,23,微波單片集成電路材料和加工技術(shù),GaAs材料： 電子遷移率高，其電子遷移率是硅的6倍 漂移速度大，是硅的2倍 寄生電阻小，所以器件速度快； GaAs單晶生長(zhǎng)： GaAs外延生長(zhǎng)：,24,微波單片集成電路常用的元器件,有源(active)元件 絕大多數(shù)是砷化鎵(GaAs)金屬半導(dǎo)體勢(shì)壘場(chǎng)效應(yīng)管（簡(jiǎn)稱為MES FET或FET）; 毫米波頻段則是采用高遷移率晶體管（HEMT）和異質(zhì)

10、結(jié)晶體管（HBT）; 正研究基于InP材料的MMIC，可將半導(dǎo)體光學(xué)器件如激光器和微波器件結(jié)合在一起，這對(duì)光電集成電路的發(fā)展以及光通信的發(fā)展會(huì)起重要作用。,25,無源平面元件（1）平面電感(inductor),（a）方形,（b）六邊形,（c）圓形,26,（2）平面電容(capacitance ),（a）叉指式,（b）平板疊層式,27,（3）電阻(resistance ),半導(dǎo)體電阻 利用在離子注入溝道有源層時(shí)形成的N+或N-層，然后光刻出電阻的平面尺寸，通過腐蝕材料的厚度把阻值調(diào)到所需值。 薄膜電阻 采用淀積NiCr（鎳-鉻）薄膜，然后光刻成要求的圖形，待做好歐姆接觸后需進(jìn)行熱處理，以使NiC

11、r膜的電阻率達(dá)到穩(wěn)定。 兩者比較：薄膜電阻具有較高的精度和熱穩(wěn)定性，被廣泛采用。但是在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該考慮到趨膚效應(yīng)，電阻值是頻率的函數(shù)。,28,（4）其它特種元件,空氣橋和通孔(via) ： 功能：元件互連及接地。 影響：寄生效應(yīng)，視為一元件看待。 等效： 空氣橋可視為一段傳輸線； 通孔簡(jiǎn)化為一段終端短路的短截線。,29,微波單片集成電路工藝過程,基本工藝技術(shù) （1）光刻：精度亞微米 （2）離子注入 （3）薄膜淀積 （4）腐蝕 （5）電鍍,30,MMIC技術(shù)及應(yīng)用,適用頻率范圍：分米波的高端及厘米波和毫米波（包括亞毫米波） 優(yōu)點(diǎn)： （1）體積小，重量輕，成本低； 與現(xiàn)有的微波混合集成電路（HM

12、IC）比較，體積可縮小90%99%，成本可降低80%90%。 （2）便于批量生產(chǎn)，一致性好； 采用半導(dǎo)體批量加工工藝，一旦設(shè)計(jì)定型后可大批量生產(chǎn)； 電路在制造過程中不需要調(diào)整。 （3）可用頻率高，頻帶成倍加寬； 避免了有源器件管殼封裝寄生參量的有害影響，所以電路工作頻率和帶寬大大提高。 （4）可靠性高，壽命長(zhǎng)。 一般不需要外接元件，避免了內(nèi)部元件的人工焊接，接點(diǎn)和互連線減少，整機(jī)零部件數(shù)大量減少，可靠性大大提高(可提高100倍)。,31,2.3 微帶電路的不連續(xù)性Microstrip circuit discontinuity,微波電路不連續(xù)性 微帶元件,32,微波電路不連續(xù)性,不連續(xù)性元件：

13、 開路、短路線、導(dǎo)體間的間隙、阻抗變換器、直角和非直角的彎頭、T形或十字交叉結(jié)寄生電抗 對(duì)電路的影響： 窄帶電路中頻率偏移； 輸入輸出電壓駐波比變差； 引起寬帶IC電路增益起伏較大； 多功能電路中的接口受影響； 由于不連續(xù)性使電路性能變壞而使成品率降低； 在高增益放大器中造成表面波和輻射耦合引起振蕩。,33,典型的微帶線不連續(xù)性,（a）開路端Open,耦合線濾波器,34,（b）導(dǎo)體間的間隙,導(dǎo)體間的間隙Gap,35,（c）寬度躍變,阻抗變換器impedance transformer,36,（d）直角彎,帯切角和不帶切角,37,（e）T型結(jié),38,（f）交叉結(jié),低阻抗短線,39,（g）半圓短路

14、線,40,（h）扇形分支,41,（a）微帶線段,（b）線段等效電路,（c）終端開路分支,（d）開路分支等效電路,微帶元件,（e）終端短路分支,（f）短路分支等效電路,不連續(xù)性縱向很短時(shí)，等效為單個(gè)電抗； 不連續(xù)性縱向較長(zhǎng)時(shí)，等效為或T型網(wǎng)絡(luò)。,42,微帶線不連續(xù)性分析方法,電磁場(chǎng)全波分析 用電磁場(chǎng)數(shù)值解法求出不連續(xù)性在不同頻率時(shí)的S參數(shù)，把不連續(xù)性當(dāng)做一個(gè)用S參數(shù)矩陣代表的微波網(wǎng)絡(luò)，包含了激發(fā)的多種高次模組合。 主要的電磁場(chǎng)數(shù)值解法有等效波導(dǎo)場(chǎng)匹配法、譜域法、直線法、有限元法、矩量法等。 優(yōu)點(diǎn)：精度高； 缺點(diǎn)：速度慢,等效電路分析 根據(jù)電磁場(chǎng)數(shù)值解的S參數(shù)矩陣，或者經(jīng)驗(yàn)公式（擬合公式）得出等效

15、電路模型中電感、電容、電阻等； 優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算速度快； 缺點(diǎn)：精度降低。,43,2.4 阻抗變換 Impendence conversionImpendence transformation,匹配(match)網(wǎng)絡(luò)位于負(fù)載(load)和主傳輸線之間； 匹配網(wǎng)絡(luò)一般是無耗(lossless )的，避免不必要的功率損耗； 通常設(shè)計(jì)成向匹配網(wǎng)絡(luò)看去輸入阻抗是Z0。 在匹配網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載之間有多次反射。,用于匹配負(fù)載到傳輸線的網(wǎng)絡(luò),44,阻抗匹配的好處,當(dāng)負(fù)載與傳輸線匹配時(shí)（假定信號(hào)源是匹配的），可傳送最大功率，并且在饋線上功率損耗最小。 對(duì)阻抗匹配靈敏的接收部件，如天線、低噪聲放大器等，可改進(jìn)系統(tǒng)的信噪比。

16、 在功率分配網(wǎng)絡(luò)中，諸如天線陣饋電網(wǎng)絡(luò)，阻抗匹配可降低振幅和相位誤差。,45,實(shí)現(xiàn)匹配需考慮的幾個(gè)方面,只要負(fù)載阻抗有非零實(shí)部，就能找到匹配網(wǎng)絡(luò)； 考慮因素：復(fù)雜性、帶寬、可行性和可調(diào)性； 復(fù)阻抗（器件的輸入、輸出阻抗）匹配到實(shí)阻抗（源、負(fù)載或傳輸線的特性阻抗）。,46,放大器最佳噪聲匹配 最大功率增益 無反射匹配,匹配網(wǎng)絡(luò)的電路形式： 集總參數(shù)或分布參數(shù)元件。,圖2.12,47,并聯(lián)導(dǎo)納型（或串聯(lián)阻抗型）匹配網(wǎng)絡(luò),（a）輸入匹配電路,（b）輸出匹配電路,微帶分支線的終端開路或短路,48,分支線的終端常用開路型 如所需并聯(lián)導(dǎo)納為電感性可用短路型，縮短長(zhǎng)度 實(shí)現(xiàn)微帶的短路，要在基板上打通孔，孔壁

17、金屬化：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度差。,短路分支線并聯(lián)導(dǎo)納式匹配電路,49,用作兩級(jí)電路間的匹配電路 并聯(lián)導(dǎo)納值一定時(shí)，后者稍短或稍細(xì)。 后者存在兩個(gè)諧振頻率,T型與十字型并聯(lián)導(dǎo)納式匹配電路,T型并聯(lián)導(dǎo)納和十字并聯(lián)雙分支線,50,阻抗變換型的匹配電路,主傳輸線與負(fù)載匹配，用四分之一波長(zhǎng),級(jí)間匹配，用四分之一波長(zhǎng),主傳輸線與負(fù)載匹配,51,微帶電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇原則,(1)微波的高頻段，如工作在X頻段或更高，宜選用微帶阻抗跳變式的阻抗變換器。 不連續(xù)性計(jì)算容易、精度高、修正量??； 頻率高時(shí)，微帶線段物理尺寸往往是既短又寬，T型結(jié)構(gòu)高次模影響大，計(jì)算精度下降。,（2）對(duì)于微波低頻端，如S頻段或更低端，宜選用分

18、支微帶結(jié)構(gòu)。 阻抗跳變式物理尺寸較長(zhǎng)，阻抗變換結(jié)構(gòu)電路尺寸過長(zhǎng)。 T型結(jié)構(gòu)不連續(xù)性相對(duì)小，計(jì)算誤差影響減弱。,52,（3）當(dāng)微波管輸入阻抗為容性時(shí)，匹配電路第1個(gè)微帶元件宜選用電感性微帶單元； 當(dāng)微波管輸入阻抗為感性時(shí)，宜用電容性微帶單元。 電感性微帶元件包括終端短路分支線和高阻抗窄微帶級(jí)聯(lián)線段； 電容性微帶元件包括終端開路分支線和低阻抗寬微帶級(jí)聯(lián)線段。,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，一個(gè)輸入信號(hào)被分成兩個(gè)或多個(gè)較小的功率信號(hào)。 功分器通常采用等分(3dB)形式，但也有不等分的情況。 耦合器可以是有

19、耗或無耗三端口器件，或者是四端口器件。三端口網(wǎng)絡(luò)采用T型結(jié)或其他功分形式，而四端口網(wǎng)絡(luò)采用定向耦合和混合網(wǎng)絡(luò)形式。 定向耦合器則可以設(shè)計(jì)為任意功率分配比，但混合網(wǎng)絡(luò)一般是等功率分配?；旌辖Y(jié)在輸出端口之間有90(正交)或180相移。,54,Wilkinson功率分配器,微帶等功分Wilkinson功分器,55,3dB功分器場(chǎng)仿真圖,1端口,2端口,3端口,中心頻率為3.70GHz,56,3dB功分器場(chǎng)S參數(shù)仿真結(jié)果,中心頻率為3.70GHz,57,帶寬約有一個(gè)倍頻程，在大于一個(gè)倍頻的帶寬內(nèi)可看到合適的平坦響應(yīng)特性。只是在頻帶兩端，負(fù)載阻抗影響了隔離度。 在功分階梯前面加入一個(gè)變換器，可改善輸入駐

20、波比（VSWR）。 采用多節(jié)來展寬頻帶。有可能獲得十倍頻程帶寬，每節(jié)由一些四分之一波長(zhǎng)線段組成。節(jié)數(shù)越多，得到的帶寬越寬，隔離度也越大。,58,不等分Wilkinson功分器,若微帶不等分Wilkinson功分器端口2和端口3之間的功率比是 ，則采用如下的設(shè)計(jì)公式：,59,N路Wilkinson功分器,微帶N路等分Wilkinson功分器,60,耦合器,直接耦合式定向耦合器 分支線耦合器 Lange耦合器 混合環(huán)耦合器,61,四端口器件 常用的表示符號(hào)和端口定義。 耦合因數(shù)為 。 傳輸系數(shù)為 。 理想情況下，沒有功率傳送到端口4（隔離端口）。,直接耦合式定向耦合器,定向耦合器的兩種常用表示符號(hào) 和常規(guī)功率流向,62,定向耦合器常用表征參量,耦合度=C=,方向性=D=,隔離度=I=,耦合端口和非耦合端口間的方向性為：D=I-C,63,微帶電路定向耦合器。 與匹配變換器和功分器一樣，可以采用多節(jié)結(jié)構(gòu)來增加帶寬。,微帶定向耦合器,64,定向耦合器場(chǎng)仿真圖,65,分支線耦合器,66,也稱為分支電橋，其直通和耦合臂的輸出之間有90相位差。 功率等分的3dB耦合器，制作容易，結(jié)構(gòu)方便（它的輸出端口位于同一側(cè)，因而結(jié)構(gòu)上易于同半導(dǎo)體器件結(jié)合，構(gòu)成如平衡混頻器、移相器和開關(guān)等集成電路）。 3dB分支線耦合器與