Passive RF & Microwave Integrated Circuits

385 Pages·2003·3.16 MB·english

by  Leo Maloratsky

RF and Microwave
Integrated Circuits
Passive Components and Control Devices
by Leo G. Maloratsky
Amsterdam • Boston • Heidelberg • London
NewYork • Oxford • Paris • SanDiego
SanFrancisco • Singapore • Sydney • Tokyo
Newnes is an imprint of Elsevier.
200 Wheeler Road, Burlington, MA 01803, USA
Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, UK
Copyright © 2004, Elsevier Inc. All rights reserved.
No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in
any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, or otherwise,
without the prior written permission of the publisher.
Permissions may be sought directly from Elsevier’s Science & Technology Rights
Department in Oxford, UK: phone: [phone], fax: [phone],
e-mail:[email protected]. You may also complete your request on-line via the
Elsevier homepage (http://elsevier.com), by selecting “Customer Support” and then
“Obtaining Permissions.”
Recognizing the importance of preserving what has been written, Elsevier prints its
books on acid-free paper whenever possible.
Library of Congress Cataloging-in-Publication Data
Application submitted.
British Library Cataloguing-in-Publication Data
A catalogue record for this book is available from the British Library.
ISBN: XXXXXXXXXXX
For information on all Newnes publications,
visit our website at www.newnespress.com
03 04 05 06 07 08 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Printed in the United States of America
Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2. Characteristics of Planar Transmission Lines . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2. Stripline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3. Microstrip Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.1. Shielded Microstrip Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.2. Characteristic Impedance of the Microstrip Line . . . 13
2.3.3. Effects of Finite Strip Thickness in
Microstrip Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.4. Attenuation in Microstrip Lines . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.5. Choosing Physical Dimensions for
Microstrip Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4. Suspended Stripline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5. Slotline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6. Coplanar Waveguide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
vii
viii CONTENTS
2.7. Finline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.8. Summary of Planar Transmission Lines . . . . . . . . . . . . . . . 32
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3. Characteristics of Print Coupled Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2. Coupled Striplines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3. Microstrip Coupled Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4. Coupled Suspended Striplines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5. Coupled Slotlines and Coplanar Waveguides . . . . . . . . . . . 48
3.6. Irregular Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4. Distributed and Lumped Elements of Integrated Circuits . . . . . . . 55
4.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2. Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3. Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.1. Print Inductors Consideration . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.2. Dual-Spiral “Surprise” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4. Resistors, Terminations, and Attenuators . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5. Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.6. Discontinuities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5. Common Features and Parameters of Networks . . . . . . . . . . . . . . 81
5.1. Multiport Network as “Pandora’s Box” . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2. Common Features and Parameters of Two-Port Networks . 82
5.3. Parameters and Features of Four-Port Networks . . . . . . . . 88
5.4. Some Advantages of Wave Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.5. Matrix Correlation for Coupled Lines . . . . . . . . . . . . . . . . 95
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6. Analysis of Symmetrical Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.1. Analysis of Two-Port Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.2. Analysis of Symmetrical Four-Port Networks . . . . . . . . . . 103
6.3. Analysis of Symmetrical Three-Port Networks . . . . . . . . . 110
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
CONTENTS ix
7. Directional Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.1. Definitions and Correlations Between Directivity,
Symmetry, and Phase Difference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.2. Ring Directional Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.2.1. Ring Directional Coupler of Length 3/2Λ . . . . . . . . 122
7.2.2. Broadband Ring Directional Coupler . . . . . . . . . . . . 129
7.3. Branch-Line Directional Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.3.1. Two-Branch Coupler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.3.2. Three-Branch Coupler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.4. Coupled-Line Directional Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.4.1. Λ/4 Coupler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.4.2. Miniature (l < Λ/4) Coupler That Shrinks
HF/VHF/UHF Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.4.3. Couplers with Tight Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.4.4. Multisection Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.4.5. Particularities of Microstrip Coupled-Line
Directional Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.5. Comparison of Print Directional Couplers . . . . . . . . . . . . . 161
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
8. Dividers and Combiners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.1. T- and Y-Junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.2. Dividers and Combiners on the Directional
Coupler Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
8.2.1. Power Dividers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
8.2.2. Power Combiners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
8.3. In-Phase Quarter-Wavelength Power Dividers/Combiners . 173
8.3.1. Brief History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
8.3.2. Equal Power-Split Ratio Divider . . . . . . . . . . . . . . . 173
8.3.3. Power Combiner with Specified Isolation . . . . . . . . 181
8.3.4. Broadband Dividers/Combiners . . . . . . . . . . . . . . . . 183
8.3.5. Unequal Power-Split Ratio Divider . . . . . . . . . . . . . 188
8.3.6. Lumped Element Divider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.4. N-Way Dividers/Combiners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
8.4.1. Chain-Like Dividers/Combiners Based on
Directional Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
8.4.2. Networks Based on Wilkinson Dividers . . . . . . . . . 194
8.4.3. N-Way Coupled-Line Combiner . . . . . . . . . . . . . . . 199
x CONTENTS
8.5. Comparison of Different Dividers/Combiners . . . . . . . . . . 201
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
9. Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
9.1. Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
9.2. Filter Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
9.3. LPFs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
9.3.1. Stepped-Impedance LPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
9.3.2. Lumped-Element LPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
9.3.3. Irregular-Line LPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
9.4. BPFs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
9.4.1. Integration Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
9.4.2. Parallel Coupled-Line BPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
9.4.3. Wiggly Coupled-Line BPF: Useful “Zig-Zag” . . . . 223
9.4.4. End-Coupled BPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9.4.5. Interdigital BPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
9.4.6. Comb-Line BPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
9.4.7. Hairpin BPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
10. Diode Control Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
10.1. PIN Diode Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
10.2. Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
10.2.1. Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
10.2.2. Basic Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
10.2.3. Multiple-Diode Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
10.2.4. Transmit-Receive Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
10.3. Attenuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.3.1. Reflective Attenuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
10.3.2. Nonreflective Attenuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
10.3.3. Switched Channel Attenuators . . . . . . . . . . . . . . 256
10.4. Limiters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
11. Phase Shifters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
11.1. Diode Phase Shifters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
11.1.1. Switched-Line Phase Shifters . . . . . . . . . . . . . . . 268
CONTENTS xi
11.1.2. Loaded-Line Phase Shifters . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
11.1.3. High-Pass/Low-Pass Phase Shifters . . . . . . . . . . 272
11.1.4. Reflection-Type Phase Shifters . . . . . . . . . . . . . . 274
11.2. Ferrite Phase Shifters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
11.3. Differential Phase Shifters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
11.3.1. Schiffman 90° Phase Shifter . . . . . . . . . . . . . . . . 279
11.3.2. Irregular-Line 180° Phase Shifter . . . . . . . . . . . . 281
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
12. Circulators and Isolators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
12.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
12.2. Distributed Ferrite Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
12.2.1. Ferrite Circulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
12.2.2. Ferrite Isolators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
12.3. Lumped-Element Ferrite Circulators and Isolators . . . . . 292
12.4. Ferrite and Magnet Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
12.5. High-Isolation Circulator Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
12.6. Nonferrite Nonreciprocal Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
13. Microwave Integrated Subassemblies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
13.1. L-Band Multifunctional Transmit/Receive Module . . . . . 305
13.2. Electrically Tunable L-Band Preselector . . . . . . . . . . . . . 308
13.3. Switchable Balanced Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
13.4. High-Accuracy High-Power Whisper/Shout Attenuator . 314
13.5. C-Band Multichannel Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
13.6. Single Antenna Radio Altimeter TX/RCV . . . . . . . . . . . . 319
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
14. Design and Fabrication Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
14.1. RF/Microwave Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
14.1.1. Metal Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
14.1.2. Ceramic Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
14.1.3. Plastic Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
14.2. Three-Dimensional Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
14.2.1. Horizontal-Vertical Configuration . . . . . . . . . . . . 329
14.2.2. Multilayer Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
xii CONTENTS
14.3. Fabrication Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
14.3.1. HMICs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
14.3.2. MMICs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
Appendix A: Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
Appendix B: Properties of Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
Appendix C: Two-Port Network Representations . . . . . . . . . . . . . 351
Appendix D: List of Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
Preface
I have primarily intended this book to be a text for RF and microwave
engineers just entering the field of integrated circuit design. However, it
should also be instructive to students in advanced electronics courses and
useful to experienced engineers as a reference text. This book is based
largely on my personal development work, publications, and patents in
the field of passive components, control devices, and subsystems, and it
particularly stresses the integration of circuit functions. In addition to my
own designs, it refers to extensive results obtained by many scientists and
engineers who have published their works in textbooks, journals, and con-
ference proceedings.
Leo G. Maloratsky
Indialantic, Florida
2004
xiii