微波毫米波技术基本知识
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可以说,DGS是PBG的一种特例。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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。
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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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 。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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-defected Ground Structure),或译为非理想接地板结构。
★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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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-High Temperatue Cofired Ceramic LTCC-Low Temperatue Cofired Ceramic
HBT效率高,1/f相噪低, InP基HBT振荡管工作频 率已达138GHz。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
毫米波MMIC
82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InP HEMT 功率MMIC:
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
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
LTCC-MCM
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
LTCC-MCM
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
LTCC工艺流程
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
LTCC实例-LMDS发射模块
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
微波集成电路传输线
共面波导(coplanar wave guide)
鳍线(fin-line): 单侧鳍线(Uilateral finline); 双侧鳍线(Bilateral finline); 对极鳍线(Antipodal finline)
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
微波毫米波技术基本知 识
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
2020年4月13日星期一
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
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
一、无线电频段划分
名称 长波 中波 短波 超短波 微波
频率 波长
15- 100- 1.5- 30- 300以上 100kHz 1500kHz 30MHz 300MHz
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(computational electromagnetics)
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 路漫漫其修远兮,
吾将上下而求索
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(suspended stripline ) 共面线(coplanar line)
C
X
3.9-6.9 6.9GHz 12.4
GHz
7.69- 4.354.35 2.42
cm cm
Ku
12.418 GHz 2.421.67 cm
K
1826.5 GHz 1.671.13 cm
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
毫米波频段(EHF)
名称 Ka Q U V E W F D G
频率 26.5- 33- 40- 50GHz 40 50 60 75
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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 (Multilayer Microwave Circuits) 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:
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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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(Photonic Band Gap -PBG)在微波 领域的应用是突出代表。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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。
鳍线(fin-line
单侧鳍线
双侧鳍线
对极鳍线
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毫米波集成传输线比较
特性 微带
Q 值 较低
单模带 宽 宽 阻抗范 宽 围 过渡 较易
尺寸重 小 量 路漫漫其修远兮,
吾将上下而求索
悬置微 鳍线 带
较高 高
宽
窄
宽
窄
较易 较大
容易 大
槽线 低 较窄 较窄 较难 较小
Байду номын сангаас
共面波 镜像线 导 较低 较高 较窄 较宽
– 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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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
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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
★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
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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 (Finite Element Method) ★时域有限差分法-FDTD (Finite Differencen Time Domain method) ★矩量法-MoM (Method of Moments)
★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- EBG
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
PGG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。
较宽 宽
难 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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
波长 11.3- 9.1-6 7.5-5 6-4 mm 7.5
60- 75- 90- 110- 14090 110 140- 170 220
5-3.3 4-2.7 3.3- 2.7- 2.12.1 1.7 1.4
大气透明窗口:35GHz,95GHz,220GHz,140GHz,225GHz
大气吸收频段:60GHz,120GHz, 185GHz
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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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
20km- 3km- 200m- 10m- 1m以下 3km 200m 10m 1m
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微波频段划分(UHF)
名称 频率
波长
P
L
225- 0.39390 1.55 MHz MHz
133.2- 76.976.9 19.3 cm cm
S
1.553.9 GHz 19.37.69 cm
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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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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。
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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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 。
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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-defected Ground Structure),或译为非理想接地板结构。
★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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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-High Temperatue Cofired Ceramic LTCC-Low Temperatue Cofired Ceramic
HBT效率高,1/f相噪低, InP基HBT振荡管工作频 率已达138GHz。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
毫米波MMIC
82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InP HEMT 功率MMIC:
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
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
LTCC-MCM
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
LTCC-MCM
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
LTCC工艺流程
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
LTCC实例-LMDS发射模块
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
微波集成电路传输线
共面波导(coplanar wave guide)
鳍线(fin-line): 单侧鳍线(Uilateral finline); 双侧鳍线(Bilateral finline); 对极鳍线(Antipodal finline)
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
微波毫米波技术基本知 识
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
2020年4月13日星期一
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
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
一、无线电频段划分
名称 长波 中波 短波 超短波 微波
频率 波长
15- 100- 1.5- 30- 300以上 100kHz 1500kHz 30MHz 300MHz
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(computational electromagnetics)
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 路漫漫其修远兮,
吾将上下而求索
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(suspended stripline ) 共面线(coplanar line)
C
X
3.9-6.9 6.9GHz 12.4
GHz
7.69- 4.354.35 2.42
cm cm
Ku
12.418 GHz 2.421.67 cm
K
1826.5 GHz 1.671.13 cm
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
毫米波频段(EHF)
名称 Ka Q U V E W F D G
频率 26.5- 33- 40- 50GHz 40 50 60 75
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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 (Multilayer Microwave Circuits) 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:
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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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(Photonic Band Gap -PBG)在微波 领域的应用是突出代表。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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。
鳍线(fin-line
单侧鳍线
双侧鳍线
对极鳍线
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
毫米波集成传输线比较
特性 微带
Q 值 较低
单模带 宽 宽 阻抗范 宽 围 过渡 较易
尺寸重 小 量 路漫漫其修远兮,
吾将上下而求索
悬置微 鳍线 带
较高 高
宽
窄
宽
窄
较易 较大
容易 大
槽线 低 较窄 较窄 较难 较小
Байду номын сангаас
共面波 镜像线 导 较低 较高 较窄 较宽
– 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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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
★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
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路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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。
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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 (Finite Element Method) ★时域有限差分法-FDTD (Finite Differencen Time Domain method) ★矩量法-MoM (Method of Moments)
★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- EBG
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
PGG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。
较宽 宽
难 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。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
波长 11.3- 9.1-6 7.5-5 6-4 mm 7.5
60- 75- 90- 110- 14090 110 140- 170 220
5-3.3 4-2.7 3.3- 2.7- 2.12.1 1.7 1.4
大气透明窗口:35GHz,95GHz,220GHz,140GHz,225GHz
大气吸收频段:60GHz,120GHz, 185GHz
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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。
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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
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20km- 3km- 200m- 10m- 1m以下 3km 200m 10m 1m
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微波频段划分(UHF)
名称 频率
波长
P
L
225- 0.39390 1.55 MHz MHz
133.2- 76.976.9 19.3 cm cm
S
1.553.9 GHz 19.37.69 cm