微波固态电路第二章
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28
（4）其他特种元件 空气桥和通孔：实际上它们是用于集成电 路中起着元件互连及接地的功能，本身并 不承担电路元件所应具有的特定功能。然 而，由于在微波频率时它们所引入的寄生 效应会对电路性能产生一定影响，所以设 计MMIC时，亦应将它们视为一元件看待， 例如，空气桥可以视为一段传输线，而通 孔可简化为一段终端短路的短截线。
不考虑色散的有效介电常数的公式为
e r 1 r 1 W r 1 t h
2 2 F h 4.6 W h
W ≤1 h W ≥1 h
（2.7）
其中
1 2 2 h W 1 12 0.04 1 W h W F 1 2 h h 1 12 W
11
微带线
微带线的最高工作频率受到许多因素的限制， 如寄生模的激励、较高的损耗、严格的制造公 差、处理过程中的脆性、显著的不连续效应。 当然，还有工艺加工问题。当工作频率很高时 ，不仅色散严重，而且将出现非TEM波的其他 电磁场模，统称为高次模。高次模的出现将破 坏电路正常工作。
12
微带线
随着工作升高，工作波长小到与微带线尺寸可比拟时 ，微带线中就会出现高次模：波导模和表面波模。 a.波导模存在于所填充的介质中，分TE和TM模。 b.表面波模存在于接地板表面附近的介质中，并沿 接地板表面传播。也分为TE波和TM波。 最低次的TM表面波的截止频率理论上为零，即任何 频率都可能存在TM表面波，但只有在某一频率上， 其相速和准TEM波主模相速接近时，两个模将产生强 烈耦合，破坏工作状态。
13
微带线
下式为准TEM波和最低表面波寄生模之间产生强 耦合时的频率： 150 2 1 fT tan ( r ) （2.12） πh r 1
式中，fT 的单位是GHz，h的单位是mm。
14
表2.1 微波集成电路传输线特性
传输线 标准微带线 悬置或倒置带 线 带线 适宜的工作 可用的阻抗 频率 范围（W） （GHz） 1～100 1～150 0.5～40 15～100 20～100 15～100 传输线截面尺 寸 小 小 小 传输线Q值 低 中等 低
120
8
微带线
W W 1.25 t 4πW 1 ln h h π h t
W W 1.25 t 2h 1 ln h h π h t
（ h ≤ 2π ） （ h ≥ 2π ）
W 1
W
1
（2.5） （2.6）
W为微带线宽度，h为介质基片厚度，t是微带线金属导体厚度。
23
微波单片集成电路常用的元器件
有源元件 现有的MMIC中，绝大多数是利用砷化镓金属半 导体场效应晶体管（简称为MESFET或FET）作 为有源元件。 在毫米波频段则是采用高电子迁移率晶体管 （HEMT）和异质结晶体管（HBT），而现在在 实验室正大力开展基于InP材料的MMIC，可将半 导体光学器件如激光器和微波器件结合在一起， 这对光电集成电路的发展以及光通信的发展会起 重要作用。
A W I S A
方形电感量比圆形大 20%，但Q值低于圆形。 圆形加工难度大。
（a）方形
I
I
（c）圆形
26
（b）六边形
（2）平面电容
W I
L I d
GaAs
（a）叉指式
（b）平板叠层式
27
（3）电阻
一般采用两种形式，即半导体电阻和薄膜电阻。 两者工艺差别很大，半导体电阻是利用在离子注 入沟道有源层时形成的n+或n-层，然后光刻出电 阻的平面尺寸，通过腐蚀材料的厚度把阻值调到 所需值。 薄膜电阻一般采用淀积NiCr（铬化镍）薄膜，然 后光刻成要求的图形。一般认为薄膜电阻具有较 高的精度和热稳定性，所以被广泛地采用。 在设计过程中应该考虑到趋肤效应，电阻值是频 率的函数，特别是当工作频率比较高时这种影响 是不可忽视的。
20
电路设计和工艺加工的要点
微带线条：微带线边沿电场向两侧延伸，电场延伸距 离大约等于2倍基片厚度。因此为避免线间耦合，微 带线间距离以及微带至外盒边壁距离应保持为基片厚 度的4倍以上。 侧向腐蚀裕量：一般情况下，可把微带线宽加出1～2 倍金属膜厚作为腐蚀裕量。 接地通孔：微带接地是用金属化通孔实现的。 有封装晶体管焊接：管脚引线和微带电路焊接时，必 须焊至管脚靠近管壳的根部。 管芯和梁式引线器件焊接：管芯和梁式引线器件不仅 尺寸极小，而且更容易被损坏。
共面线
鳍线 槽线
2～60
30～150 2～60
40～150
20～400 60～200
中等
中等 中等
低
中等 低
15
介质基片与导体材料
基片是微波电磁场传输媒质，又是电路支撑体。对基 片的要求是微波损耗小、表面光滑度高、强硬度、韧 性好、价格低。在微波混合集成电路中最常用的介质 基片是聚四氟乙烯纤维环氧树脂板、氧化铝陶瓷板和 石英基片。 聚四氟乙烯纤维环氧树脂板价格便宜，双面用热压法 覆以铜膜，可以直接光刻腐蚀电路，加工简便，广泛 用于微波集成电路。 氧化铝陶瓷板的介质损耗小，表面光洁，适用于较高 频段，而且介电常数高，制作的MIC小巧精致。但是 氧化铝陶瓷板需真空镀膜，加工复杂，成本高。
阻抗匹配是射频与微波器件或系统设计的基本组成部 分，其基本思想如图所示，它将阻抗匹配网络放在负 载和传输线之间。为了避免不必要的功率损耗，理想 的匹配网络是无耗的，而且通常设计成向匹配网络看 去阻抗是 Z0 虽然在匹配网络和负载之间有多次反射，但是在匹配 网络左侧传输线上的反射被消除了。这个过程也被认 为是调谐。
4h r 1 W F 0.5 1 2lg 1 0 h
（2.11）
10
微带线特性阻抗与什么有关。
e，h） Z0=f（W，
例：已知有一微带线，其介质基片 e =1，Z0=50欧 姆时其微带线线宽W=10mm，问如果把 e提高到 16，其他参数不变，微带线阻抗如何变化？如果 要把特性阻抗变回50欧姆，该怎么设计微带线？ 意义：利用高介电常数介质基片可以实现电路小 型化。
21
§2.2 微波单片集成电路
概述 微波单片集成电路常用的元器件 MMIC技术及应用
22
概述
微波单片集成电路通常简称为MMIC （Monolithic Microwave Integrated Circuit） 利用半导体批生产技术，将电路中所有的有源 元件和无源元件都制作在一块半导体衬底上的 电路称为微波单片集成电路。
Iபைடு நூலகம்
I
空气桥应用示例
通孔应用示例
29
MMIC技术优点
MMIC最适宜的频率范围是分米波的高端及厘米波和毫米 波（包括亚毫米波），它的突出优点是：（1）电路的体 积、重量大大减小，成本低。与现有的微波混合集成电路 （HMIC）比较，体积可缩小90%～99%，成本可降低 80%～90%。（2）便于批量生产，电性能一致性好；制 造MMIC是采用半导体批量加工工艺，一旦设计的产品验 证后就可大批量生产；电路在制造过程中不需要调整。 （3）可用频率范围提高，频带成倍加宽。由于避免了有 源器件管壳封装寄生参量的有害影响，所以电路工作频率 和带宽大大提高。（4）可靠性高，寿命长，MMIC一般 不需要外接元件，清除了内部元件的人工焊接，当集成度 较高时，接点和互连线减少，整机零部件数大量减少，所 以可靠性大大提高（可提高100倍）。
18
加工概要
基片处理 1.研磨：粗磨，细磨。 2.抛光：表面光洁度0.5-1um。工作频率越高，光洁 度要求越高。 3.镀膜。 4.金属层减薄（金属层已采用热压工艺把铜膜粘附于 基片上，可省去前三步。） 版图制作 1.图形放大，制成红膜版图，刻图机刻图（尺寸误差 0.1-0.2mm），微带尺寸精度要求0.02mm 2. 照相制版，把放大的红膜版图缩小回原尺寸。
3
微波集成电路（MIC）常用的微波传输线
微带金属膜 电力线 空气 介质基片 金属底片
（a）标准微带 （b）倒置微带 （c）悬置微带
（d）带线
（e）槽线
4
MIC常用的微波传输线
（f）共面波导
（g）鳍线
5
微带线
微带线是微波集成电路中最流行的平面传输线 可理解为由同轴线演变而成 主要传播准TEM模
帯 切 角 和 不 带 切 角
35
（e）T型结
36
（f）交叉结
低阻抗短线
37
不连续性都会引入寄生参数，与这类不连续性 有关的电抗可被称为寄生电抗，因为它们不是 人为引起的。这些电抗的引入会对电路性能造 成影响，因此必需要在电路设计中进行考虑。 可以采用全波分析方法进行。
38
§2.4 阻抗变换
第二章
微波集成电路基础
1
主要内容
微波集成传输线 微波单片集成电路 微带电路的不连续性 阻抗变换 微波无源元件
2
§2.1 微波集成传输线
什么是射频(RF)？RF与微波的关系? 集总参数与分布参数概念。
RF： 集总参数 微波：分布参数
L、C、R 传输线、以传输 线为基础的微波 无源元件
19
加工概要
光刻 1.涂感光胶（甩胶）：在基片金属膜上涂感光胶。 2.曝光：把照相所得版图覆盖于感光胶层上用紫外 灯曝光，得到与微带电路一样的保护胶层。 3.腐蚀：用化学液腐蚀掉无用的金属膜。 接地孔金属化与电镀 用化学淀积法使孔壁金属化 电镀防护：在铜上电镀0.5um厚的金，防止氧化。 元件焊接——无源元件，有源元件
微带导体 介质基片
接地金属板
接地金属板
接地金属板
（a）同轴线
（b）带线 图2.2 同轴线和微带线
（c）微带线
6
微带线
在准静态法中，传输特性参数是根据下列两个电 容的值计算的。一个是 Ca ，它是对应于单位长度 微带线将其介质材料换为空气而求得的电容；另 一个是C，是对应有介质材料的单位长度微带线 计算出的。 特性阻抗和相位常数可用这两个电容 1 表示，形式如下： Z0 （2.1） c CC
a
k0
式中
C C a
12
k0 e
（2.2）
0 e g
C C a
，c
1
0 0
，k0 0 0 （2.3）
7
微带线
随着频率的升高，电磁场的纵向分量增加，磁场纵向分 量增长比电场纵向分量增长还要快，因此也随频率变化 ， 传播波长和微带特性阻抗都随之而变，这就是色散 现象。一般情况下，频率低于4～5GHz时，色散现象不 严重。不考虑色散的特性阻抗 Z 0的公式为： 0 W W 8h ln 0.25 ≤1 h h 2π e W Z0 （2.4） 1 W 0 W 1.393 0.667 ln W 1.444 ≥1 h h h e 其中， 0
（2.8）
9
微带线
考虑色散的有效介电常数和特性阻抗的公式为
r e e ( f ) e 1 4 F 1.5
Z0 ( f ) Z0
2
（2.9） （2.10）
2
e ( f ) 1 e e 1 e ( f )
f是工作频率。其中，
16
对微带线金属膜材料的基本要求是：
电导率高（趋肤效应）、稳定不氧化、刻蚀性 好、容易焊接、容易淀积或电镀，对基板附着 力强。 对于MIC来说，最常用的金属材料是铜与金。 典型的导体组合有：铬-金、钛-金、钽-金。对于 MMIC砷化镓基片，常用铬-金、钛-铂-金等。
17
微带电路的设计与制作
加工概要 电路设计和工艺加工的要点
24
微波单片集成电路材料
微波单片集成电路采用GaAs材料主要有两个原因：
（1）GaAs电子迁移率高，其电子迁移率是硅的6倍，最 大漂移速度大，是硅的2倍，寄生电阻小，所以器件速度 快； （2）GaAs能制成108 · cm高电阻率，适合于做微波无 源元件的衬底。
25
无源平面元件
（1）平面电感(螺旋状)
30
§2.3 微带电路的不连续性
在微波集成电路中，由于电气性能和结构上的 需要，电路中各种元件之间，以及分布和集总 元件之间总是存在着不连续性。典型的微带不 连续性元件如图2.7所示。
31
典型的微带线不连续性
（a）开路端
32
（b）导体间的间隙
耦合线滤波器
33
（c）宽度跃变
阻抗变换器
34
（d）直角弯
（4）其他特种元件 空气桥和通孔：实际上它们是用于集成电 路中起着元件互连及接地的功能，本身并 不承担电路元件所应具有的特定功能。然 而，由于在微波频率时它们所引入的寄生 效应会对电路性能产生一定影响，所以设 计MMIC时，亦应将它们视为一元件看待， 例如，空气桥可以视为一段传输线，而通 孔可简化为一段终端短路的短截线。
不考虑色散的有效介电常数的公式为
e r 1 r 1 W r 1 t h
2 2 F h 4.6 W h
W ≤1 h W ≥1 h
（2.7）
其中
1 2 2 h W 1 12 0.04 1 W h W F 1 2 h h 1 12 W
11
微带线
微带线的最高工作频率受到许多因素的限制， 如寄生模的激励、较高的损耗、严格的制造公 差、处理过程中的脆性、显著的不连续效应。 当然，还有工艺加工问题。当工作频率很高时 ，不仅色散严重，而且将出现非TEM波的其他 电磁场模，统称为高次模。高次模的出现将破 坏电路正常工作。
12
微带线
随着工作升高，工作波长小到与微带线尺寸可比拟时 ，微带线中就会出现高次模：波导模和表面波模。 a.波导模存在于所填充的介质中，分TE和TM模。 b.表面波模存在于接地板表面附近的介质中，并沿 接地板表面传播。也分为TE波和TM波。 最低次的TM表面波的截止频率理论上为零，即任何 频率都可能存在TM表面波，但只有在某一频率上， 其相速和准TEM波主模相速接近时，两个模将产生强 烈耦合，破坏工作状态。
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微带线
下式为准TEM波和最低表面波寄生模之间产生强 耦合时的频率： 150 2 1 fT tan ( r ) （2.12） πh r 1
式中，fT 的单位是GHz，h的单位是mm。
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表2.1 微波集成电路传输线特性
传输线 标准微带线 悬置或倒置带 线 带线 适宜的工作 可用的阻抗 频率 范围（W） （GHz） 1～100 1～150 0.5～40 15～100 20～100 15～100 传输线截面尺 寸 小 小 小 传输线Q值 低 中等 低
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8
微带线
W W 1.25 t 4πW 1 ln h h π h t
W W 1.25 t 2h 1 ln h h π h t
（ h ≤ 2π ） （ h ≥ 2π ）
W 1
W
1
（2.5） （2.6）
W为微带线宽度，h为介质基片厚度，t是微带线金属导体厚度。
23
微波单片集成电路常用的元器件
有源元件 现有的MMIC中，绝大多数是利用砷化镓金属半 导体场效应晶体管（简称为MESFET或FET）作 为有源元件。 在毫米波频段则是采用高电子迁移率晶体管 （HEMT）和异质结晶体管（HBT），而现在在 实验室正大力开展基于InP材料的MMIC，可将半 导体光学器件如激光器和微波器件结合在一起， 这对光电集成电路的发展以及光通信的发展会起 重要作用。
A W I S A
方形电感量比圆形大 20%，但Q值低于圆形。 圆形加工难度大。
（a）方形
I
I
（c）圆形
26
（b）六边形
（2）平面电容
W I
L I d
GaAs
（a）叉指式
（b）平板叠层式
27
（3）电阻
一般采用两种形式，即半导体电阻和薄膜电阻。 两者工艺差别很大，半导体电阻是利用在离子注 入沟道有源层时形成的n+或n-层，然后光刻出电 阻的平面尺寸，通过腐蚀材料的厚度把阻值调到 所需值。 薄膜电阻一般采用淀积NiCr（铬化镍）薄膜，然 后光刻成要求的图形。一般认为薄膜电阻具有较 高的精度和热稳定性，所以被广泛地采用。 在设计过程中应该考虑到趋肤效应，电阻值是频 率的函数，特别是当工作频率比较高时这种影响 是不可忽视的。
20
电路设计和工艺加工的要点
微带线条：微带线边沿电场向两侧延伸，电场延伸距 离大约等于2倍基片厚度。因此为避免线间耦合，微 带线间距离以及微带至外盒边壁距离应保持为基片厚 度的4倍以上。 侧向腐蚀裕量：一般情况下，可把微带线宽加出1～2 倍金属膜厚作为腐蚀裕量。 接地通孔：微带接地是用金属化通孔实现的。 有封装晶体管焊接：管脚引线和微带电路焊接时，必 须焊至管脚靠近管壳的根部。 管芯和梁式引线器件焊接：管芯和梁式引线器件不仅 尺寸极小，而且更容易被损坏。
共面线
鳍线 槽线
2～60
30～150 2～60
40～150
20～400 60～200
中等
中等 中等
低
中等 低
15
介质基片与导体材料
基片是微波电磁场传输媒质，又是电路支撑体。对基 片的要求是微波损耗小、表面光滑度高、强硬度、韧 性好、价格低。在微波混合集成电路中最常用的介质 基片是聚四氟乙烯纤维环氧树脂板、氧化铝陶瓷板和 石英基片。 聚四氟乙烯纤维环氧树脂板价格便宜，双面用热压法 覆以铜膜，可以直接光刻腐蚀电路，加工简便，广泛 用于微波集成电路。 氧化铝陶瓷板的介质损耗小，表面光洁，适用于较高 频段，而且介电常数高，制作的MIC小巧精致。但是 氧化铝陶瓷板需真空镀膜，加工复杂，成本高。
阻抗匹配是射频与微波器件或系统设计的基本组成部 分，其基本思想如图所示，它将阻抗匹配网络放在负 载和传输线之间。为了避免不必要的功率损耗，理想 的匹配网络是无耗的，而且通常设计成向匹配网络看 去阻抗是 Z0 虽然在匹配网络和负载之间有多次反射，但是在匹配 网络左侧传输线上的反射被消除了。这个过程也被认 为是调谐。
4h r 1 W F 0.5 1 2lg 1 0 h
（2.11）
10
微带线特性阻抗与什么有关。
e，h） Z0=f（W，
例：已知有一微带线，其介质基片 e =1，Z0=50欧 姆时其微带线线宽W=10mm，问如果把 e提高到 16，其他参数不变，微带线阻抗如何变化？如果 要把特性阻抗变回50欧姆，该怎么设计微带线？ 意义：利用高介电常数介质基片可以实现电路小 型化。
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§2.2 微波单片集成电路
概述 微波单片集成电路常用的元器件 MMIC技术及应用
22
概述
微波单片集成电路通常简称为MMIC （Monolithic Microwave Integrated Circuit） 利用半导体批生产技术，将电路中所有的有源 元件和无源元件都制作在一块半导体衬底上的 电路称为微波单片集成电路。
Iபைடு நூலகம்
I
空气桥应用示例
通孔应用示例
29
MMIC技术优点
MMIC最适宜的频率范围是分米波的高端及厘米波和毫米 波（包括亚毫米波），它的突出优点是：（1）电路的体 积、重量大大减小，成本低。与现有的微波混合集成电路 （HMIC）比较，体积可缩小90%～99%，成本可降低 80%～90%。（2）便于批量生产，电性能一致性好；制 造MMIC是采用半导体批量加工工艺，一旦设计的产品验 证后就可大批量生产；电路在制造过程中不需要调整。 （3）可用频率范围提高，频带成倍加宽。由于避免了有 源器件管壳封装寄生参量的有害影响，所以电路工作频率 和带宽大大提高。（4）可靠性高，寿命长，MMIC一般 不需要外接元件，清除了内部元件的人工焊接，当集成度 较高时，接点和互连线减少，整机零部件数大量减少，所 以可靠性大大提高（可提高100倍）。
18
加工概要
基片处理 1.研磨：粗磨，细磨。 2.抛光：表面光洁度0.5-1um。工作频率越高，光洁 度要求越高。 3.镀膜。 4.金属层减薄（金属层已采用热压工艺把铜膜粘附于 基片上，可省去前三步。） 版图制作 1.图形放大，制成红膜版图，刻图机刻图（尺寸误差 0.1-0.2mm），微带尺寸精度要求0.02mm 2. 照相制版，把放大的红膜版图缩小回原尺寸。
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微波集成电路（MIC）常用的微波传输线
微带金属膜 电力线 空气 介质基片 金属底片
（a）标准微带 （b）倒置微带 （c）悬置微带
（d）带线
（e）槽线
4
MIC常用的微波传输线
（f）共面波导
（g）鳍线
5
微带线
微带线是微波集成电路中最流行的平面传输线 可理解为由同轴线演变而成 主要传播准TEM模
帯 切 角 和 不 带 切 角
35
（e）T型结
36
（f）交叉结
低阻抗短线
37
不连续性都会引入寄生参数，与这类不连续性 有关的电抗可被称为寄生电抗，因为它们不是 人为引起的。这些电抗的引入会对电路性能造 成影响，因此必需要在电路设计中进行考虑。 可以采用全波分析方法进行。
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§2.4 阻抗变换
第二章
微波集成电路基础
1
主要内容
微波集成传输线 微波单片集成电路 微带电路的不连续性 阻抗变换 微波无源元件
2
§2.1 微波集成传输线
什么是射频(RF)？RF与微波的关系? 集总参数与分布参数概念。
RF： 集总参数 微波：分布参数
L、C、R 传输线、以传输 线为基础的微波 无源元件
19
加工概要
光刻 1.涂感光胶（甩胶）：在基片金属膜上涂感光胶。 2.曝光：把照相所得版图覆盖于感光胶层上用紫外 灯曝光，得到与微带电路一样的保护胶层。 3.腐蚀：用化学液腐蚀掉无用的金属膜。 接地孔金属化与电镀 用化学淀积法使孔壁金属化 电镀防护：在铜上电镀0.5um厚的金，防止氧化。 元件焊接——无源元件，有源元件
微带导体 介质基片
接地金属板
接地金属板
接地金属板
（a）同轴线
（b）带线 图2.2 同轴线和微带线
（c）微带线
6
微带线
在准静态法中，传输特性参数是根据下列两个电 容的值计算的。一个是 Ca ，它是对应于单位长度 微带线将其介质材料换为空气而求得的电容；另 一个是C，是对应有介质材料的单位长度微带线 计算出的。 特性阻抗和相位常数可用这两个电容 1 表示，形式如下： Z0 （2.1） c CC
a
k0
式中
C C a
12
k0 e
（2.2）
0 e g
C C a
，c
1
0 0
，k0 0 0 （2.3）
7
微带线
随着频率的升高，电磁场的纵向分量增加，磁场纵向分 量增长比电场纵向分量增长还要快，因此也随频率变化 ， 传播波长和微带特性阻抗都随之而变，这就是色散 现象。一般情况下，频率低于4～5GHz时，色散现象不 严重。不考虑色散的特性阻抗 Z 0的公式为： 0 W W 8h ln 0.25 ≤1 h h 2π e W Z0 （2.4） 1 W 0 W 1.393 0.667 ln W 1.444 ≥1 h h h e 其中， 0
（2.8）
9
微带线
考虑色散的有效介电常数和特性阻抗的公式为
r e e ( f ) e 1 4 F 1.5
Z0 ( f ) Z0
2
（2.9） （2.10）
2
e ( f ) 1 e e 1 e ( f )
f是工作频率。其中，
16
对微带线金属膜材料的基本要求是：
电导率高（趋肤效应）、稳定不氧化、刻蚀性 好、容易焊接、容易淀积或电镀，对基板附着 力强。 对于MIC来说，最常用的金属材料是铜与金。 典型的导体组合有：铬-金、钛-金、钽-金。对于 MMIC砷化镓基片，常用铬-金、钛-铂-金等。
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微带电路的设计与制作
加工概要 电路设计和工艺加工的要点
24
微波单片集成电路材料
微波单片集成电路采用GaAs材料主要有两个原因：
（1）GaAs电子迁移率高，其电子迁移率是硅的6倍，最 大漂移速度大，是硅的2倍，寄生电阻小，所以器件速度 快； （2）GaAs能制成108 · cm高电阻率，适合于做微波无 源元件的衬底。
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无源平面元件
（1）平面电感(螺旋状)
30
§2.3 微带电路的不连续性
在微波集成电路中，由于电气性能和结构上的 需要，电路中各种元件之间，以及分布和集总 元件之间总是存在着不连续性。典型的微带不 连续性元件如图2.7所示。
31
典型的微带线不连续性
（a）开路端
32
（b）导体间的间隙
耦合线滤波器
33
（c）宽度跃变
阻抗变换器
34
（d）直角弯