微波毫米波技术基本知识

尺寸重 小 量
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
毫米波MMIC 毫米波MMIC
82年第一只Ka 波段MMIC Ka MMIC二极管混频器问世以来， MMIC MMIC品种迅速增多，性能改善，工作频率提高： MMIC 美国TRW Hughes TRW和Hughes InP基 TRW Hughes公司InP基MMIC InP MMIC工作频率已超过 250GHHz。 250GHHz。 TRW公司InP HEMT 功率MMIC TRW InP MMIC： MMIC 60GHz, 1W, PAE=20%, 60GHz， 31dB， 60GHz，3.8W, 31dB，8个模块合成 95GHz, 480mW, PAE=20% TRW公司InP HEMT MMIC： TRW InP HEMT低噪声MMIC MMIC 170－ 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
毫米波低噪声放大器MMIC（芯片） 毫米波低噪声放大器MMIC（芯片）产品性能 MMIC 频率 (GHz) 噪声系 数(dB) 增益 (dB) 厂家 26-40 2.5 13 UMS 26-40 2.5 17 36-40 2.5 18 55-60 3.5 10
30－ 300以上 300MHz 10m－ 1m 1m以下
波长
微波频段划分(UHF) 微波频段划分(UHF)
名称 频率 P 225390 MHz 133.276.9 cm L 0.391.55 MHz 76.919.3 cm S 1.553.9 GHz 19.37.69 cm C X Ku 12.418 GHz 2.421.67 cm K 1826.5 GHz 1.671.13 cm 3.9-6.9 6.9GHz 12.4 GHz 7.69- 4.354.35 2.42 cm cm
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 比 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。
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: 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。
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)
5-3.3 4-2.7 3.32.1
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
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% 30%30% 40%的速度增长， 成为军事电子领域的“ 朝阳”产业。
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 (Finite Element Method) ★时域有限差分法－FDTD (Finite Differencen Time Domain method) ★矩量法－MoM (Method of Moments)
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－ 100kHz 20km－ 3km
100－ 1.5－ 1500kHz 30MHz 3km－ 200m 200m－ 10m
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－BJΒιβλιοθήκη Baidu 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
波长
毫米波频段(EHF) 毫米波频段(EHF)
名称 Ka Q U 4060 V 5075 E 6090 W 75110 F D G 频率 26.5- 33GHz 40 50 90- 110- 140140- 170 220 2.71.7 2.11.4
波长 11.3- 9.1-6 7.5-5 6-4 mm 7.5
多芯片模块(MCM) 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 – 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 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。
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 计算电磁学(computational 计算电磁学 electromagnetics)
PGG特性 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。 ★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。
LTCC－ LTCC－MCM
LTCC－ LTCC－MCM
LTCC工艺流程 LTCC工艺流程
LTCC实例－LMDS发射模块 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
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 Q值 微带 较低 悬置微 鳍线 带 较高 宽 宽 较易 较大 高 窄 窄 容易 大 槽线 低 较窄 较窄 较难 较小 较小 共面波 镜像线 导 较低 较窄 较宽 较高 较宽 宽 难 小
单模带 宽 宽 阻抗范 宽 围 过渡 较易
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) 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。
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 微波系统 微波模块
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。 柱面波导 色散传输线－传播速度随 频率而变。 开波导 表面波传输线…特定的频 率和波型 平行双导线 同轴线 带状线 微带线 矩形波导，圆形波导 椭圆形波导 脊波导－单脊和双脊波导 介质棒波导，哥保线 介质镜象线，光纤
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－defected Ground Structure)，或译为非理想接地板结构。 可以说，DGS是PBG的一种特例。
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。
PBG概念 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－ EBG
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）
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）