毫米波技术及应用

微波毫米波技术基本知识2004年3月提纲1无线电频段划分2射频和微波传输线3微波电路技术的发展历程4国外毫米波器件和系统应用一、无线电频段划分名称长波中波短波超短波微波频率15－100kHz100－1500kHz1.5－30MHz30－300MHz300以上波长20km－3km3km－200m200m－10m10m－1m1m以下微波频段划分(UHF)名称PLSCXKuK频率225-390MHz0.39-1.55MHz1.55-3.9GHz3.9-6.9GHz6.9-12.4GHz12.4-18GHz18-26.5GHz波长133.2-76.9cm76.9-19.3cm19.3-7.69cm7.69-4.35cm4.35-2.42cm2.42-1.67cm1.67-1.13cm毫米波频段(EHF)名称KaQUVEWFDG频率GHz26.5-4033-5040-6050-7560-9075-11090-140-110-170140-220波长mm11.3-7.59.1-67.5-56-45-3.34-2.73.3-2.12.7-1.72.1-1.4大气透明窗口：35GHz，95GHz，220GHz，140GHz，225GHz大气吸收频段：60GHz，120GHz,185GHz常用称射频：1MHz-1GHz微波：1GHz-30GHz毫米波：30GHz-300GHz亚毫米波：300-3000GHz(1000GHz=1THz)红外：300-416000GHz(1000THz=1pHz)可见光：0.76－0.4µm微波系统构成传输线及不连续性无源和有源器件(半导体或电真空)微波部件微波模块微波系统二、微波和毫米波传输线TEM传输线非色散传输线－传播速度等于填充媒质中的光速，且不随工作频率而变。平行双导线同轴线带状线微带线柱面波导色散传输线－传播速度随频率而变。矩形波导，圆形波导椭圆形波导脊波导－单脊和双脊波导开波导表面波传输线…特定的频率和波型介质棒波导，哥保线介质镜象线，光纤微波集成电路传输线带状线(stripoline)微带线（Microstrip）悬置带线（suspendedstripline）共面线（coplanarline）微波集成电路传输线共面波导（coplanarwaveguide）鳍线（fin-line）：单侧鳍线（Uilateralfinline）；双侧鳍线（Bilateralfinline）；对极鳍线（Antipodalfinline）鳍线（fin-line单侧鳍线双侧鳍线对极鳍线毫米波集成传输线比较特性微带悬置微带鳍线槽线共面波导镜像线Q值较低较高高低较低较高单模带宽宽宽窄较窄较窄较宽阻抗范围宽宽窄较窄较宽宽过渡较易较易容易较难难尺寸重量小较大大较小较小小三、微波电路技术的发展历程从分立电路→平面微波集成电路→多层和三维微波集成电路到多芯片模块。微波、毫米波子系统的集成化推进了整机系统面貌迅速更新。这不仅体现在设备体积重量按数量级减小，而且成本降低、可靠性提高，从而促进了微波和毫米波技术在军事和民用领域广泛应用。微波电路技术的发展历程微波电路或系统的革新体现在元、器件物理结构和电磁关系两方面。这种革新来源于对电磁场理论的灵活运用和商用电磁仿真软件的快速发展；其成功实现有赖于新材料、新工艺，特别是半导体和微加工技术的成就。微波和毫米波集成电路技术和工艺的不断推陈出新集中体现了微波领域日新月异的技术进步。三维微波集成电路(3DMIC)三维微波集成电路(3DMIC)又称多层微波电路(MultilayerMicrowaveCircuits)包括:(1)多层微波集成电路(MuMIC)(2)三维单片微波集成电路(3DMMIC)两种基本类型。(1)多层微波集成电路:由分立的有源器件与多层集成无源元件、连接线构成的集成电路。三维微波集成电路(3DMIC)(2)三维单片微波集成电路:在同一基片上将集成的有源器件、无源元件、连接线等用薄介质层相隔而形成的多层紧凑的单片集成电路。两者有着相似的结构,将它们统称为三维微波集成电路。多芯片模块(MCM)MCM－Multi-Chip-Module－是广义的3DMICMCM－由若干IC裸片互连在同一块高密度多层布线基板上并封装在同一管壳中形成的功能组件。MCM－与传统平面混合集成电路比较，电性能提高一个数量级，体积重量降低一个数量级。多芯片模块(MCM)分类–MCM－L：高密度PCB基板，L表示迭层印制布线板–MCM－C：共烧陶瓷基板，C表示共烧陶瓷工艺(包括HTCC和LTCC)；HTCC－HighTemperatueCofiredCeramicLTCC－LowTemperatueCofiredCeramic–MCM－D：采用其它新绝缘材料的薄膜布线基板，D表示电介质淀积薄膜工艺；–MCM－Si：采用硅工艺的薄膜布线基板，层间绝缘膜是SiO2、Si；–MCM－C/D：在共烧陶瓷上形成薄膜布线的基板。MCM的主要特点集芯片IC和无源元件于一体，避免了元器件级组装，简化了系统级的组装层次。高密度互连基板，导线和线间距细化（通常小于0.1mm）;高密度多层互连线短，布线密度高，布线密度每平方英寸250－500根；能将数字电路、模拟电路、光电器件、微波器件合理组装在一个封装体内，形成多功能组件、子系统和系统。LTCC－MCMLTCC－MCMLTCC工艺流程LTCC实例－LMDS发射模块计算电磁学及其应用★微波电路的小型化，特别是三维电路的发展不仅以先进的电路制造工艺为基础，而且依赖计算电磁学和商用电磁仿真软件的迅速发展。★随着射频集成电路（RFIC）、单片集成电路（MMIC）和超大规模集成电路（VLSI）技术的迅速发展，低成本、高性能的高速数字、射频、微波和毫米波集成电路和系统的互连和封装成为重要的理论和工艺技术课题。商用CAD软件应运而生。Ansoft公司软件：designer和HFFS计算电磁学及其应用★随着集成密度的增加和工作频率的提高，设计者必须认真对待互连和封装中的各种电磁效应问题，如电路间的互耦，寄生谐振，电磁干扰和电磁兼容性等问题。★在电磁场与微波技术学科中，以电磁场理论为基础，以高性能计算技术为手段，运用计算数学提供的各种方法，诞生了一门解决复杂电磁场理论和工程问题的应用科学－计算电磁学(computationalelectromagnetics)计算电磁学及其应用电磁场问题求解方法：★解析法：建立和求解偏微分方程和积分方程。★数值法：直接以数值的、程序的形式代替解析形式。★半解析数值法：将解析与数值法结合，人的理论分析与计算机数值解结合。计算电磁学的几种重要方法计算电磁学的几钟重要方法：★有限元法－FEM(FiniteElementMethod)★时域有限差分法－FDTD(FiniteDifferencenTimeDomainmethod)★矩量法－MoM(MethodofMoments)引入新概念和新方法计算电磁学和商用仿真软件的发展为实现新电路方法提供了条件。光子带隙(PhotonicBandGap－PBG)在微波领域的应用是突出代表。PBG概念★PBG是一种介质在另一种介质中周期排列所组成的周期结构;★光子在这类材料中的作用类似于电子在凝聚态物质中的作用，存在着类似于半导体能带结构中的禁带。★电磁波在具有周期结构的介质材料中传播时，会受到调制，形成能带结构，能带结构之间可能出现带隙。★微波领域的光子带隙也称电磁带隙－EBGPGG特性★当电磁波的工作频率落在带隙中时，由于带隙中没有任何传输态存在，因而任何方向的入射波都会发生全反射，因而具有带阻特性。★光子带隙结构不仅改变传输线特性阻抗，同时改变传播常数。PGG构成：PBG可采用金属、介质、铁磁或铁电物质植入衬底材料，或直接由衬底材料周期性形状排列而成。目前国内外所提出的PBG结构：在介质基板上钻孔；在衬底中填充其他介质或金属；在微带电路底板上刻蚀光子晶体结构；在微带电路表面冗余部分形成PBG；在微带线上刻蚀谐振单元。PBG应用：宽带带阻滤波器，抑制谐波；高Q微带谐振器；小型匹配网络，改善放大器性能；单向辐射微带天线，提高效率；频率选择表面；延时线；无源网络：混合环、正向耦合器；改善微带天线性能。微带线中的光子带隙结构在微带接地面上腐蚀一个或少量的孔，称为有缺陷的接地结构(DGS－defectedGroundStructure)，或译为非理想接地板结构。可以说，DGS是PBG的一种特例。四、国外毫米波器件和系统应用现代武器装备的需求促进了毫米波技术的发展，毫米波技术发展的需要又带动了半导体和微电子电路技术和工艺的进步，使毫米波技术成为当今一门知识密集的综合性技术学科，国外毫米波设备快速发展，每年以30%-40%的速度增长，成为军事电子领域的“朝阳”产业。毫米波器件－电真空器件行波管反波管速调管磁控管回旋管自由电子激光管毫米波器件－半导体器件两端器件：雪崩二极管－Impatt耿氏管或体效验管－Gunn，TED混频、检波二极管，变容二极管，隧道二极管三端器件：双极管－BJT场效应管－FET异质结双极管－HBT高速电子迁移三极管－HEMT膺配高速电子迁移三极管－PHEMT毫米波固态器件水平80年代以来，毫米波技术的迅速发展得益于固态器件的进步；毫米波军事需求促进了毫米波发展。70年代GaAs肖特基二极管的出现是毫米波器件的重大突破：已用于亚毫米波上下混频和倍频。三端器件的发展迅速：BJT，FET，HEMT，HBTHEMT比FET有更好的频率特性，更高的效率，更低的噪声，94GHz的噪声系数1.4dB。PHEMT有更高的功率，成为毫米波功率器件的主流。HBT效率高，1/f相噪低,InP基HBT振荡管工作频率已达138GHz。毫米波MMIC82年第一只Ka波段MMIC二极管混频器问世以来，MMIC品种迅速增多，性能改善，工作频率提高：美国TRW和Hughes公司InP基MMIC工作频率已超过250GHHz。TRW公司InPHEMT功率MMIC：60GHz,1W,PAE=20%,60GHz，3.8W,31dB，8个模块合成95GHz,480mW,PAE=20%TRW公司InPHEMT低噪声MMIC：170－200GHz,G=15dB,Nf=4.8dB毫米波低噪声放大器MMIC毫米波低噪声放大器MMIC（芯片）产品性能频率(GHz)26-4026-4036-4055-60噪声系数(dB)2.52.52.53.5增益(dB)13171810厂家UMSSandersFujitsuUMS毫米波功率放大器MMIC毫米波功率放大器MMIC（芯片）产品性能频率(GHz)33-3629-3337-4055-60增益(dB)17111012P1dB(dBm)3132.63215厂家TriquitSandersSandersUMS毫米波多功能MMIC英国DERA的43.5-45.5GHzMMIC接收前端包括低噪声放大、混频、本振，尺寸3.0×3.8mm,Nf=4.3dB，G=5-8dB美国NorthgropGrumman公司MMICW波段发射组件包括：Ku波段二倍频器、Ka-W三倍频器。W波段放大器和功率合成器，输出功率1W，体积21.3cm3美国TRW公司的Ka波段收发组件频率17.5-35GHz：包括低噪声放大、、滤波器、混频、二倍频、双极化开关、功放，Nf=1.9dB，输出功率30W。美国TRW公司的60GHz固态功放模块：30W，60dB，272元桥路加空间功率合成。微加工技术和微机电系统(MEMS)微加工(Micromachining)技术是通过MMIC工艺,微量（μm量级）加工半导体(Si,GaAs等)晶片、介质乃至金属结构以改进电路性能，提高集成度;微加工方法可制作三维结构，在低损耗传输线和谐振器、可调的集中参数电