毫米波器件的技术发展与应用

文章编号:1001-893X (2007)01-0004-03

毫米波器件的技术发展与应用

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王　坚,候　辉,代　红

(总参陆航部驻成都地区军事代表室,成都610036)

摘　要:对毫米波器件的技术进步和研发水平进行了详细论述,同时对毫米波器件关键的材料、工艺

及集成电路的发展进行了分析,指出该技术的应用在军事上有着广阔的前景,对雷达、毫米波通信、精密制导等装备的研制有较好的指导作用。

关键词:毫米波器件;毫米波单片集成电路;军事应用中图分类号:T N401 文献标识码:A

Techn i cal Develop ment and Appli cati on of M illi m eter Wave Devi ces

WAN G J ian,HOU Hui,DA I Hong

(M ilitary Delegati on Office f or Chengdu Regi on,A r my Aviati on

Depart m ent of General Staff,Chengdu 610036,China )

Abstract:The technical p r ogress and research &devel opment level of m illi m eter wave (MMW )devices are intr oduced,the devel opment of the key material,p r oducti on technol ogy and I C of MMW devices are ana 2lyzed,and the m ilitary app licati on of the technol ogy is revie wed,which benefits the research and devel op 2ment of radar,MMW communicati on and p recise contr ol and guide equi pment .Key words:m illi m eter wave device;M I M I C;m ilitary app licati on

1　概　述

20世纪60年代激光技术的发展曾分散了人们

对毫米波技术的注意,但从70年代开始,由于空间技术、军事电子技术和其它科学技术发展的需要,人们又迫切地要求开发界于微波到光波之间的电磁频谱。通常,把30～300GHz 的频域称为近毫米波,把100～1000GHz 的频域称为远毫米波,把300～3000GHz 的频域称为亚毫米波。这段电磁频谱与微波相比具有以下特点:频带极宽、波束窄、方向性好,有极高的分辨率;有较宽的多普勒带宽,可提高测量精度。它与激光和红外波段相比,具有穿透烟雾、尘埃的能力,基本上可全天候工作。由于有以上的特点,毫米波技术的应用范围极广,在雷达、通信、精密制导等军事武器上发挥着越来越重要的作用。因此,近十几年毫米波技术的发展十分迅速,已进入了蓬勃发展的新时代。

2　发展方向

发展毫米波器件一直是发展毫米波技术的先导,研制宽带、低噪声、大功率、高效率、高可靠、长寿命、多功能的毫米波器件是该技术的关键。2.1　慢波型毫米波电子管的研究进展

目前在大功率毫米波系统中,由于长期积累的实用化经验,慢波型毫米波管仍起着主导作用,至今还找不到任何实用的新型器件来代替传统的慢波型毫米波电子管。慢波型毫米波电子管在功能上的进展表现在以下几个方面:

(1)研制的管型不断扩大

早期的毫米波管主要是磁控管、行波管和返波管,20世纪60年代中期研制成功分布作用振荡器(E I O ),70年代研制成功分布作用放大器(E I A )和

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收稿日期:2006-08-23;修回日期:2006-11-28

奥罗管(O r otr on),最近报导的契伦可夫辐射器件已达到较高水平,如在88GHz,脉冲输出功率达5%。同轴行波管和称为密力管(M il-litr on)的特种耦合腔行波管以及特殊调谐的磁控管也不断出现。

(2)频域扩展,频带增宽

O型返波管的最高工作频率可达2000G Hz,反射速调管的频率达220G Hz,分布作用振荡器的频率达300G Hz。由于采用了叶片加载螺旋线的色散成形技术,在螺旋线和固定夹持杆的外套筒之间沿径向叶片加载以减小相速的变化,使行波管的工作频带在微波频段达3∶1,在毫米波频段达2.2∶1,它还具有提高互作用效率和减小二次谐波输出的作用。

(3)输出功率增加

由于采用了新的慢波结构,如同轴行波管中的同轴螺旋线,密力管中的梯形孔一字型耦合腔结构;采用有良好热传导特性的螺旋线直接与波导耦合的输出结构;用金刚石或氧化铍高热导材料作支持杆以及弹压或钎焊装配技术,二元和三元扩散阴极提供50～100A/c m2的大电流密度阴极,以及特殊的冷却结构使得毫米波行波管的输出功率显著增加。

(4)效率提高,体积减小,重量减轻,管子性能提高

高磁能积的稀土磁性材料钐钴合金用于周期性聚焦系统或磁控管的磁回路,使行波管电子束的流通率在有激励时达97%。95GHz的磁控管重量也减少了一半,体积缩小了三分之二。双极或多极降压收集极和速度渐变技术的应用,使行波管效率从20%左右提高到50%左右。用分布损耗、速度跳变技术以及选择性频率加载等方法有效地抑制了返波振荡。

上述的慢波型器件是利用高频结构的边缘场与电子注产生互作用,随着工作波长的缩短,结构尺寸也相应减小,为获得有效的互作用,必须使电子注尽量接近高频结构,这就引起聚焦的困难。此外,由于阴极发射面积的减小,能够支取的电流受到限制等原因,使输出功率与频率的4次方成反比;高频损耗变大,散热困难;高频与直流打火严重等。

为了排除慢波型器件遇到的困难,早在20世纪50年代末期就开展了利用快波电磁场与电子注互作用的研究。例如,1958年提出的自由电子回旋辐射的机理,1960年对Ubitr on的实验研究,1964年开展的潘尼管研究。但因当时对毫米波技术的重要性认识不足,未能得到相应的发展。直到70年代初,苏联成功地研制出回旋管,快波器件才受到各国的广泛重视。现在快波器件的种类不断增多,除了回旋管之外,还出现了潘尼管、回旋潘尼管、轨道管以及各种类型的自由电子激光器等。

2.2　固体毫米波器件的研究进展

固体毫米波器件由于体积小、重量轻、噪声低、耗电少和可集成度高等特点,己经成为固体电子技术的重要发展方向。许多原来采用电子管作为接收机的本振源和其它一些小功率源,基本上已被固体器件所取代。目前的发展重点是以器件的实用化研究为主,并把分立器件的研究向多功能单片集成的方向发展。技术上的主要进展如下所述:

(1)材料研究的进展

Ga A s、I nP以及HE MT(高电子迁移晶体管)中采用的A I Ga A s异质结构材料的应用,产生出性能更好的器件。例如Ga A sI M P ATT在功率和效率方面比硅有更大的潜力,I nPGunn器件的转换效率比Ga A s器件大2～3倍,噪声系数也较低,最高工作频率可达220GHz。HE MT以高速、高频和低噪声的性能独树一帜,P MHE MT称为假晶型高迁移率晶体管,它比通常的HE MT更胜一筹,它利用一薄层(200!)的IrGaA s材料界于二维电子气和未掺杂的Ga A s之间,可以克服标准HE MT漏极电流-电压特性被破坏的现象,提高HE MT的性能。

(2)固体器件工艺更加成熟

在材料制备上广泛采用分子束外延技术,沟道加工采用微细加工方法已达亚微米级,结构上采用电镀热沉、倒装、多棚条、多单元并联方法,使器件的性能显著提高并趋于成熟。

(3)毫米波单片集成电路(M I M I C)迅速发展

目前,M I M I C是以Ga A s MESEFT为基础,把振荡、放大、混频和其它控制器件集成为一个子系统。这种电路有突出的优点:尺寸、重量下降10～100倍,可靠性提高100倍,成本下降30倍,已成为军事电子技术进一步发展的关键技术。近年来,已把宽带微波电路设计的解析方法和CAD方法相结合并运用到M I M I C的设计中。非线性电路理论也有新的发展,并从频域扩展到时域。这些新技术的应用必将促进M I M I C的快速发展。

(4)复合型器件的发展

为了把工作频率提高,利用量子隧道效应产生载流子,又通过负阻渡越时间效应产生毫米波振荡的隧道渡越时间二极管,工作频率可扩展到338 GHz,直流偏置电压比I M P ATT小。利用隧道和雪

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