射频和无线技术入门--电路和信号--6

1.半导体

材料和器件

固态技术

由于半导体技术的发展，无线通信才开始真正地起飞。半导体技术的另一个名字叫固态技术。另一种很快就消忙的技术，叫电子管技术。在电子管技术中，所有的电子材料在真空中产生。在这些电子管中，当射频信号漂移在电子管的真空中时，射频信号就被放大了。

硅和砷化镓

制造射频器件主要有两个半导体材料：硅(Si)和砷化镓(GaAs)。一般来说，砷化镓用于高频应用。如果一些射频器件使用了砷化镓，可能是硅在预定高频率的工作性能不好。在做选择时，射频工程师通常会选择硅器件而不是砷化镓，因为硅更便宜。

材料

有两种让射频世界震动的新材料，它们是锗化硅(SiGe)和磷化铟(InP)。SiGe发展的动力是手持移动电话。直到最近，手机的输出功率放大器几乎都是由GaAs做成的。但是SiGe不仅比GaAs有更好的线性性能，而且更有效率。高效率可以转化为更长的电池寿命。当SiGe可以像普通器件一样便宜时，我们将期待在下一代移动无线器件中看到更多的SiGe器件。InP后面的驱动力就是高频率，可以工作在毫米波频率(大于40GHz)。在高频时InP在所有材料中有最低的噪声性能。InP还可以用来做毫米波频率的功率放大器，但是，和SiGe不同，目前InP制造费用仍然相对比较昂贵。

二极管和晶体管

在射频世界只有两种基本的半导体：二极管和晶体管。有许多不同的二极管和晶体管，它们都有不同的用途，主要区别是它们是如何构造的以及它们是用什么材料做成的。所有的二极管几乎完成同样的功能，但是因为它们构造不同，所以在不同领域各有更高的电子性能。例如Schottky二极管速度快，PIN二极管能处理大功率。晶体管也是同理。

二极管

在射频世界中，二极管用于许多不同器件，但是它们主要用于三种器件：开关、混频器和可变电压衰减器(VVA)。在振荡器中，Gunn、Tunnel、Impact二极管都用来产生这些高的射频，尤其是Impact用来产生超高射频(大于100GHz)。变容二极管可以看成是可变二极管，用于压控振荡器(VCO)。VCO是输出频率在一定范围变化的振荡器。可变的原因就是它用了一个可变二极管来决定它的频率。

晶体管

晶体管在射频中广泛使用，从低噪声放大器到高功率放大器，再到开关、衰减器、混频器、振荡器。晶体管使射频的主力，晶体管由两种不同的方法制成。它们或者做成双极型晶体管(BJT)或者称作双极，或者做成场效应晶体管(FET).

HBT晶体管

现在有一种新型的双极晶体管叫做异质结双极晶体管或HBT。最初，BJT晶体管仅仅由单一材料做成，通常是硅。

晶体管的用途

如果有增益，就至少有一个晶体管。所有固态放大器使用一种晶体管。为了产生大增益，放大器需要两个或更多的晶体管。
用在射频中的最低频率(低于1GHz)晶体管使MOSFET，它代表金属氧化物半导体场效应晶体管。MOSFET是由硅制成的，而且它们主要用于高功率放大器(HPA)。
当频率在1GHz以上时，射频工程师在双极性晶体管和MESFET中选择，MESFET代表金属半导体场效应晶体管。BJT由单一材料制成，通常是硅。MESFET通常由GaAs制成。如果考虑成本，那么硅(BJT)更好，因为它们更便宜。如果从另一角度考虑，晶体管需要工作在特定的高频，那么MESFET(GaAs)更好。另一点考虑是，在晶体管类可以使用的频率上，双极性晶体管用来产生比MESFET更多的射频功率，而MESFET提供更低的噪声系数(NF)。总而言之，双极型更便宜而且产生更高的功率，而GaAs的MESFET成本更高，但是当在高频传输低噪声系统时，它工作的更好。

HEMT晶体管

这有一个新的晶体管家族，尤其是为超高频应用所设计的，如HEMT和PHEMT，它们分别代表高电子移动晶体管和假HEMT。HEMT晶体管就是增加了一层超快半导体材料，如InP的MESFET。HEMT晶体管尤其适合高频、低噪声的应用。

集成电路(MMIC)

当多于一个器件的电子器件(晶体管、二极管等)融合到一片半导体上时，称它为集成电路(IC)。使用一堆晶体管来做一个放大器被称作IC放大器，而使用一堆晶体管来做一个开关被称作IC开关。MMIC有两个缺点。首先，既然他们包括半导体制作过程，如果只需要几个这样的器件，这些器件将非常昂贵。所以，只有当产品需求很大，使最初研发MMIC的投资很合理时，才会使用MMIC技术。其次，通常MMIC的性能比由分立器件做的器件性能差。当器件由分立晶体管或二极管做成时，性能是最优的，如在低噪声放大器中的低噪声，在高功率放大器中高功率。当性能要求不是很苛刻而要求或成本很低时，就使用MMIC。

2.电路技术

集总和分散电路

射频器件经常由几个不同的称为离散器件的电子器件组成。例如，当一个射频放大器是一个射频器件时，它由几个分立的电子器件组成，如二极管、晶体管还有3个大的电阻、电容和电感。电阻、电容和电感是体型小且便宜的无源电子器件，用来形成电子信号，这些器件用在每个电路的组合中。当电子器件组合起来，在一个预定区域完成指定功能时，就形成了一个电路。在射频世界里，电路设计有两种体系：集总原件电路和分散电路。集总元件电路和分散电路在它们的设计中都使用相同的半导体器件(晶体管、二极管和MMIC)。不同的是它们所用的无源器件的本质，尤其是那3个大的器件以及其他器件，如变换器和耦合器。

集总元件电路

在集总元件电路设计中，电容和电感是看得见、摸得着的实物。真实电容和电感的样本。在集总元件设计中，耦合器只是变换器。

分散电路

在分散电路中，唯一真实器件时半导体，其他的只是一束奇形怪状的金属迹线。当低于一定频率时，唯一的电路选择是集总元件设计。相反，在高于一定频率时，唯一合理的选择就是分散电路设计。

分立、混合和MMIC电路选择

一旦选择了一种电路系统，下一个选择就是使用哪种电路技术。这次要从3个不同的电路技术中选择：分立、混合(也称作MIC，微波集成电路)或MMIC(单片微波集成电路)，分立、混合和MMIC电路技术比较：

技术	描述	优点	缺点
分立	在印刷电路板上，融合了半导体器件(二极管。晶体管和MMIC)和集总无源器件作为独立封装分立器件	利用现存分立器件；快速设计；高功率的优越性差	占用大量空间；高频性能下降；大批量时昂贵
混合(MIC)	在陶器衬底上融合了封装的和芯片的半导体器件(二极管、晶体管和MMIC)、无源器件(集总和分散)和金属迹线	比分立器件更小且具有更好的高频性能；在大批量时比分立器件便宜；超高频率特性	数量小时制造昂贵；比分立技术设计周期长；比分立技术需要处理更多细小问题和解决更多麻烦
MMIC	在单片半导体上融合半导体器件(二极管和晶体管)和分散无源器件	比其他办法都小；在大批量生产时比较便宜	在小数量生产时非常昂贵；很长的设计周期；和混合方法比起来性能有所下降

组件

有一些射频制造商以此为生，通过把多于一种的射频器件组合起来，完成多于一种的射频功能，封装成一个包。当一盒射频材料完成多于一个基本功能时，比如混频器或单一放大器，这盒材料称为一个组件。

空穴

制造射频器件还有最后一种方法。不像其他技术(分立、混合以及MMIC)，空穴类型器件不使用导线传输射频信号。取而代之，射频信号在空穴器件内像波一样移动。空穴电路是一种空的由金属制成的容器，射频信号在内部碰撞。使用空穴器件只有一个原因：高功率。当射频工程师需要放大一个大信号，比任何晶体管能放大的还要大时，他们使用空穴放大器(TWT)。当他们需要耦合一个高功率信号或滤除一个高功率信号时，使用空穴器件。

3.调制

概念

将信息信号叠加到射频(载波)信号称为调制，完成叠加的设备叫做调制器。在射频系统，射频首先被调制然后通过发射机从天线出去。在信号到达接收机之后，上述过程将是相反的。接收信号解调(去掉射频载波)，只剩下信息信号。

类型

所有调制形式可以归为3中通常类型：幅度调制(AM)，相位调制(PM)和频率调制(FM)。从无线通信的早期算起，AM和FM是已存在的调制方法中的古老形式。PM是新生一代，在现在的先进的数字无线通信系统中使用得最频繁。AM、FM和PM描述了当理想正弦波接收信息信号而发生改变的3种方式。AM改变正弦波的高度(随时间流逝)；FM改变正弦波的频率(随着时间流逝)，保持幅度不变；PM改变连续正弦波的相位。这些变化都包含着信息。

幅度调制

AM改变理想正弦波射频载波的幅度。频率不变(连续波的间隔不变)，但是每个连续波的幅度变化了。从正弦波刀正弦波，幅度改变，但是频率不变。AM比其他调制方法使用的时间都长，主要是因为它很容易实施。不幸的是，这种实施的简单性是要付出代价的。所有射频信号传播时都会加入噪声。噪声在正弦波中是瑕疵。这些瑕疵经常在幅度中随机的改变。所以当噪声改变射频载波的幅度时，射频系统并不知道这些改变是否是预期的(调幅的结果)，还是非预期的(噪声的结果)。所有这些意味着AM信号非常容易受到噪声干扰而失真。

二元幅移键控

新一代的调幅，在本质上是数字的，称为二元幅移键控(BASK)。模拟调幅将模拟正弦波信号叠加到射频正弦波载波，和它不一样的是BASK将数字信号叠加在射频正弦波载波上。BASK不像模拟AM对噪声那么敏感。BASK信号仍然容易受到噪声在幅度上的随机变化的影响，但是由于射频系统的智能性，它只是区分高和低，在两个幅度(高或低)上的微小变化不会引起系统误解为另一个信号。在当今的数字无线系统中，BASK仍在使用，因为它不易受到噪声的影响。

频率调制

FM是使理想正弦波变化的第2种方法，在这种情况下请注意，幅度保持不变(从未调制到调制)，但是频率改变(连续正弦波的间隔改变)。有一种为数字信息信号服务的频率调制类型，称为频移键控(FSK)。FSK使用两个完全不同的频率代表0和1。它依赖于输入数字比特流

相位调制

PM是改变理想正弦波的第3种方法。大部分无线发送的数字信息通过相位(或其他派生的方法)对射频载波进行调制。正弦波的相位用度数来度量，完整的一圈是360°。相差180°的相移互为镜像。常见相位调制类型如下：

缩写	相位调制
MSK	最小频移键控
BPSK	二元相移键控
QPSK	正交相移键控
DQPSK	差分正交相移键控
GMSK	高斯最小频移键控

相移的真正目的是通过选择性地相移连续正弦波，在射频载波上调制数字比特流，在射频信号到达目的地后，需要一种方法从相移中取出比特流。
移相器通过一定量改变正弦波。在数字相位调制中，数字比特用来选择所需要的相移。一旦射频信号到达目的地，一个相位检测器酒用来将信号的相位改变转化为电压。然后电压就轻松地转化为数字比特流。在当今数字无线通信中最流行的两种相位调制是BPSK和QPSK。

正交幅度调制

在今天的数字无线系统中最新使用的调制形式是正交幅度调制或QAM，它可以完成此功能(QAM是QPSK和AM的缩写形式)。理论上，QAM可以用更小的相移来调制，多于两种可能的幅度可以将更多的数字信息填到每个正弦波上。

调制器和解调器

射频信号可以通过调制器进行调制，调制器是相当复杂的器件。调制器有两个输入，一个输出。一个输入是信息，可以是模拟或数字形式。另一个输入时射频载波(一个理想正弦波)。输出的两个信号的复合信号。解调器完成相反的工作，取出调制信号，把它分解成一个信息信号和一个载波信号。解调之后，载波就不再需要了。大多数时候调制器和解调器组合成一个单元。

4.传播

一旦一个射频信号进入天线，被转化成电流，它就需要从一个器件传播到另一个器件。这个承载电流的东西叫做导线，但是在射频世界里在接收机或发射机中将一个信号从一点传到另一点，有几种媒介。它们可以归为3类：电缆、波导和电路迹线。

电缆

射频电缆称为同轴电缆，内部导体被外部导体包围。内部导体传输射频信号，外部导体是用来屏蔽的，防止射频信号逃逸或辐射。同轴电缆越大，插入损耗越小，但是电缆越贵就越难处理，在插入损耗限度内，使用最小的电缆。同轴电缆类型如下：

电缆类型	外包层	描述
弹性	橡胶涂层包围着一个很细的金属防护物	非常有弹性，橡胶外包层用来保护很细的防护物
半弹性	细金属(瓣状)防护物	比弹性电缆的柔韧性和承受力要差，但是便宜
半刚性	厚厚的实心金属防护物	比半弹性电缆弹性差些，但是承受力更强

连接器

电缆本身没什么作用，除非它们的末端是连接器，或者是一个更特殊同轴连接器。一个同轴连接器允许一个电缆连到另一个电缆上或一个器件上。所以，有两种不同的连接器：连到电缆上的和连到器件上的。没有这两种连接器，是不可能将电缆连到器件上的。

电缆集中的连接器

在电缆中，连接器通过机械方式紧密地连到电缆的末端。一旦连接器连到一个电缆，他将成为电缆集。

连接器

就像电缆一样，每个连接器的目标是一样的：最小的插入损耗。虽然和电缆比起来，连接器的插入损耗很小，但是连接器确实有插入损耗。首先，一些连接器族在物理尺寸上很大，而其他连接器很小。如果需要一个便宜的电缆集，那么选择一个小直径的电缆，小直径电缆将连接器的选择限定在可用的小连接器族内。如果电缆需要承载高功率的射频信号，就需要大直径的电缆，所以需要大连接器。

适配器

将一个带有一个连接器的电缆连接到另一个带有不同连接器族电缆或器件，这是不能适配的。适配器使它们步调一致，适配器也称为同轴适配器，是短小的双边连接器。

波导

射频传播的另一种方式是靠波导传播。波导是更老的技术，更贵，用于军事或高功率应用。

电路迹线

混合和印刷电路板

信号在射频系统中传输的最后一种方法是在金属迹线上，金属迹线安装在某种电介质的顶部。如果迹线碰巧是陶瓷的，并且器件是未包装的芯片，那么电路称为混合电路或MIC。如果电介质材料碰巧是某种特殊的塑料合成物，并且器件全是包装器件，那么电路称为印刷电路。一个印刷电路也称为一个印刷电路板和一个分立电路。

带状线、微带线和共面波导

带状线只以电路的形式来模仿同轴电缆。共面波导只以电路的形式来模仿波导，而微带线并没有试图模仿什么，它仅是一个射频电路。

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