射频通信电路0_预备基础知识11
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• 有源固态器件 Two-terminal Diodes: Si/GaAs/GaN Gun/IMPATT Three-terminal Transistors: Material: Si/CMOS/GaAs/InGaAs/InP/SiGe//SiC/GaN Structures: BJT/HBT /MESFET/HEMT/PHEMT Catalog: Si BJT, ft=50GHz, SiGe HBT, ft=100GHz GaAs/InP PHEMT, ft =150GHz, GaN HEMT:ft=280GHz
K: 复传播常数, • 波动方程的解
传播常数 ,
衰减常数
V ( z ) V e kz V ekz
I ( z ) I e kz I ekz
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
v(t , z ) V cos t z u e V cos t z u e
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
2. 同轴线 (Co-axial cable TL)
Features: • Electric field is completely contained within both conductors • Perfect shielding of magnetic field • TEM modes up to a certain cut-off frequency
k
电磁波相位常数
v(t , z ) Eox sin(t kz ) / k
(v(t , z ) Eox dz )
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
• 传输线种类 1. 双并行线( Two-wire Parallel TL)
Features:
• Alternating electric field between conductors • Alternating magnetic field surrounding conductors • Dielectric tends to confine field inside material
I ( z z ) I ( z) (G jC )V ( z z )z
• 传输线方程 (电报方程)
dV ( z ) ( R j L) I ( z ) dz dI ( z ) (G jC )V ( z ) dz
d 2V ( z ) k 2V ( z ) 0 dz 2
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
封装型有源固态器件
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
• 无源器件
封装型无源器件
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
集成电路芯片中的无源器件
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
裸芯片(Die)
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
characteristic impedance of a microstrip line
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
• 传输线方程 (电报方程) Const.
d 2V ( z ) k 2V ( z ) 0 dz 2 d 2 I ( z) k 2 I ( z) 0 dz 2
典型的波动方程!
k ( R j L)(G jC ) j
Frequency behavior of • A section of wire has normalized RF current resistance and inductance! density (r=a=1mm, Cu)
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
2 GHz 功放的第一级放大器简化电路图
第0章 射频电路预备基础知识
电子科技大学 蔡竟业
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
本章主要介绍射频电路元器 件及特性, 传输线特性分析等 方面的基础知识
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
射频电路元器件及特性
一、 射频电路元器件种类
有源器件: (Vacuum/Solid-State) Diode,Transistor 无源器件: Resistor, Capacitor, Inductor, Transimision Line ，Crystal Resonator
分布特性！
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
电感线圈
电感线圈的 等效电路模型
电感线圈的频率特性蔡竟业
jycai@uestc.edu.cn
SMT电阻元件(0201/0402 /0603….)/CrN MMIC 电阻
电阻元件的等效电路模型
Abs (Z) of a thin-film resistor as a function of frequency
• 等效电路法特点
1. 2. 3. 4. 5. 直观的物理图象 可用Kirchhoff定理分析 微观到宏观形式扩展的过程 近为一维分析 未考虑电路材料的非线性特征
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
• 传输线方程
• 微观 Kirchhoff 电压/电流定律
V ( z z ) V ( z ) ( R j L) I ( z )z
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
SMT电容元件(0201/ 0402/0603….)/MIM电容
电容元件的等效电路模型
Abs (Z) of a MIM/SMT Capacitor as a function of frequency
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
Electromagnetic Analysis
传输线特性阻抗依赖于传输线上单位长度的R, L, G, C!
K kz kz I ( z) (V e V e ) ( R j L) 1 kz kz (V e V e ) Z0
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
• 传输线上单位长度的R, L, G, C
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
• 传输线特性阻抗与结构, 材料特性的关系
wk.baidu.com
Characteristic line impedance as a function of w/h.
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
• Effect of conductor thickness on the
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
3. 微带线 (Microstrip TL)
4. 三层线 (Triple-layer transmission line)
Conductor is completely shielded between two ground planes
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
X L j L
– Ideal capacitor:
Xc 1/ jc
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
E (or V) and H (or I) fields
Current and voltage vary spatially over the component size。
例1：电感元件特性
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
2 GHz 功放电路版图(HMIC)
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
20-40GHz PHEMT MMIC LNA
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
• 传输线分析
•电压测量实验
L=1.5cm: (1) f=300MHz (1m), (2) f=30 GHz (1cm) • For low frequency Kirchhoff’s laws apply • For high frequency Kirchhoff’s laws do not apply anymore !!
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
工作波长与电路尺寸相当时,必须采用电磁场 分析方法 • 传播的电磁波
Ex Ex 0 cos(t kz )
• 电磁波相速
r r • 电磁波群速
vp 1 C f / 2 / k
• 行波电压
d vg dk
二、 无源器件的射频特性
•No ideal lumped elements in RF anymore !
•无源器件有什么样的射频特性/特点？分布特性！ • Conventional Lumped Circuit Analysis – Ideal R is frequency independent – Ideal inductor:
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
• 传输线分析理论
• Questions
Kirchhoff’s laws at RF do not apply anymore, How to analyze RF circuit?
• Approaches
1. EM Theory 2. Equivalent Circuit Theory
Dividing by △z then △z->0
i(z, t)
+ v(z, t)
_
z
i(z, t) + z v(z, t) _ R
z
Z
L G
z
Cz
z
v( z , t ) i ( z , t ) Ri ( z , t ) j L z t i ( z, t ) v( z, t ) Gv( z , t ) jC z t dV ( z ) ( R j L) I ( z ) dz dI ( z ) (G jC )V ( z ) dz
5. 共面波导(Co-planar Waveguide TL) 6.倒置微带线 (Inverted Microstrip TL)
7.悬置微带线(Suspended Microstrip TL) 8.波导(Waveguide TL)
E面定位
9. 镜像线(Mirrored Microstrip TL)
o
z
o
z
i(t , z ) i
o
cos t z i e i cos t z i e
z
o
z
vP f
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
2
• 传输线特性阻抗
V V Z 0 ( R j L) /(G jC ) I I
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
• 行波电压的时空分布特性
• Voltage has a time and space behavior • Space is neglected for low frequency applications
(L
/10)
• For RF there can be a large spatial variation
• Maxwell’s Equation
D H J t
B E t
D v
B 0
• 金属导线的趋肤效应
Skin depth l
1 f c
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
• Skin depth
J dc I / a 2 , Rdc l / a 2 c J ac pIJ 0 ( pr ) / 2 aJ1 ( pa), p 2 j c R / Rdc a / 2l , L / Rdc a / 2 l l 1/ f c
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
K.V.L K.C.L
v( z, t ) Rzi ( z, t ) j Lz
i( z, t ) v( z z , t ) 0 t
v( z z, t ) i ( z z , t ) 0 t
i( z, t ) Gzv( z z, t ) jC z
K: 复传播常数, • 波动方程的解
传播常数 ,
衰减常数
V ( z ) V e kz V ekz
I ( z ) I e kz I ekz
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v(t , z ) V cos t z u e V cos t z u e
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2. 同轴线 (Co-axial cable TL)
Features: • Electric field is completely contained within both conductors • Perfect shielding of magnetic field • TEM modes up to a certain cut-off frequency
k
电磁波相位常数
v(t , z ) Eox sin(t kz ) / k
(v(t , z ) Eox dz )
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• 传输线种类 1. 双并行线( Two-wire Parallel TL)
Features:
• Alternating electric field between conductors • Alternating magnetic field surrounding conductors • Dielectric tends to confine field inside material
I ( z z ) I ( z) (G jC )V ( z z )z
• 传输线方程 (电报方程)
dV ( z ) ( R j L) I ( z ) dz dI ( z ) (G jC )V ( z ) dz
d 2V ( z ) k 2V ( z ) 0 dz 2
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封装型有源固态器件
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• 无源器件
封装型无源器件
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集成电路芯片中的无源器件
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裸芯片(Die)
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characteristic impedance of a microstrip line
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• 传输线方程 (电报方程) Const.
d 2V ( z ) k 2V ( z ) 0 dz 2 d 2 I ( z) k 2 I ( z) 0 dz 2
典型的波动方程!
k ( R j L)(G jC ) j
Frequency behavior of • A section of wire has normalized RF current resistance and inductance! density (r=a=1mm, Cu)
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2 GHz 功放的第一级放大器简化电路图
第0章 射频电路预备基础知识
电子科技大学 蔡竟业
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本章主要介绍射频电路元器 件及特性, 传输线特性分析等 方面的基础知识
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射频电路元器件及特性
一、 射频电路元器件种类
有源器件: (Vacuum/Solid-State) Diode,Transistor 无源器件: Resistor, Capacitor, Inductor, Transimision Line ，Crystal Resonator
分布特性！
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电感线圈
电感线圈的 等效电路模型
电感线圈的频率特性蔡竟业
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SMT电阻元件(0201/0402 /0603….)/CrN MMIC 电阻
电阻元件的等效电路模型
Abs (Z) of a thin-film resistor as a function of frequency
• 等效电路法特点
1. 2. 3. 4. 5. 直观的物理图象 可用Kirchhoff定理分析 微观到宏观形式扩展的过程 近为一维分析 未考虑电路材料的非线性特征
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
• 传输线方程
• 微观 Kirchhoff 电压/电流定律
V ( z z ) V ( z ) ( R j L) I ( z )z
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SMT电容元件(0201/ 0402/0603….)/MIM电容
电容元件的等效电路模型
Abs (Z) of a MIM/SMT Capacitor as a function of frequency
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Electromagnetic Analysis
传输线特性阻抗依赖于传输线上单位长度的R, L, G, C!
K kz kz I ( z) (V e V e ) ( R j L) 1 kz kz (V e V e ) Z0
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• 传输线上单位长度的R, L, G, C
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• 传输线特性阻抗与结构, 材料特性的关系
wk.baidu.com
Characteristic line impedance as a function of w/h.
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• Effect of conductor thickness on the
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3. 微带线 (Microstrip TL)
4. 三层线 (Triple-layer transmission line)
Conductor is completely shielded between two ground planes
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X L j L
– Ideal capacitor:
Xc 1/ jc
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E (or V) and H (or I) fields
Current and voltage vary spatially over the component size。
例1：电感元件特性
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2 GHz 功放电路版图(HMIC)
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20-40GHz PHEMT MMIC LNA
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• 传输线分析
•电压测量实验
L=1.5cm: (1) f=300MHz (1m), (2) f=30 GHz (1cm) • For low frequency Kirchhoff’s laws apply • For high frequency Kirchhoff’s laws do not apply anymore !!
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工作波长与电路尺寸相当时,必须采用电磁场 分析方法 • 传播的电磁波
Ex Ex 0 cos(t kz )
• 电磁波相速
r r • 电磁波群速
vp 1 C f / 2 / k
• 行波电压
d vg dk
二、 无源器件的射频特性
•No ideal lumped elements in RF anymore !
•无源器件有什么样的射频特性/特点？分布特性！ • Conventional Lumped Circuit Analysis – Ideal R is frequency independent – Ideal inductor:
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• 传输线分析理论
• Questions
Kirchhoff’s laws at RF do not apply anymore, How to analyze RF circuit?
• Approaches
1. EM Theory 2. Equivalent Circuit Theory
Dividing by △z then △z->0
i(z, t)
+ v(z, t)
_
z
i(z, t) + z v(z, t) _ R
z
Z
L G
z
Cz
z
v( z , t ) i ( z , t ) Ri ( z , t ) j L z t i ( z, t ) v( z, t ) Gv( z , t ) jC z t dV ( z ) ( R j L) I ( z ) dz dI ( z ) (G jC )V ( z ) dz
5. 共面波导(Co-planar Waveguide TL) 6.倒置微带线 (Inverted Microstrip TL)
7.悬置微带线(Suspended Microstrip TL) 8.波导(Waveguide TL)
E面定位
9. 镜像线(Mirrored Microstrip TL)
o
z
o
z
i(t , z ) i
o
cos t z i e i cos t z i e
z
o
z
vP f
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2
• 传输线特性阻抗
V V Z 0 ( R j L) /(G jC ) I I
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• 行波电压的时空分布特性
• Voltage has a time and space behavior • Space is neglected for low frequency applications
(L
/10)
• For RF there can be a large spatial variation
• Maxwell’s Equation
D H J t
B E t
D v
B 0
• 金属导线的趋肤效应
Skin depth l
1 f c
蔡竟业 jycai@uestc.edu.cn
• Skin depth
J dc I / a 2 , Rdc l / a 2 c J ac pIJ 0 ( pr ) / 2 aJ1 ( pa), p 2 j c R / Rdc a / 2l , L / Rdc a / 2 l l 1/ f c
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K.V.L K.C.L
v( z, t ) Rzi ( z, t ) j Lz
i( z, t ) v( z z , t ) 0 t
v( z z, t ) i ( z z , t ) 0 t
i( z, t ) Gzv( z z, t ) jC z