微波毫米波技术 基本知识 2004年3月.

Presentation on theme: "微波毫米波技术 基本知识 2004年3月."— Presentation transcript:

1 微波毫米波技术 基本知识 2004年3月

2 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

3 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 100－1500kHz 1.5－30MHz
300以上 波长 20km－3km 3km－200m 200m－10m 10m－1m 1m以下

4 微波频段划分(UHF) 名称 P L S C X Ku K 频率 225-390 MHz 0.39-1.55 1.55-3.9 GHz
波长 cm

5 毫米波频段(EHF) 名称 Ka Q U V E W F D G 频率GHz 26.5-40 33-50 40-60 50-75 60-90
75-110 波长mm 9.1-6 7.5-5 6-4 5-3.3 4-2.7 大气透明窗口：35GHz，95GHz，220GHz，140GHz，225GHz 大气吸收频段：60GHz，120GHz, 185GHz

6 常用称 射频：1MHz-1GHz 微波：1GHz-30GHz 毫米波：30GHz-300GHz
亚毫米波： GHz(1000GHz=1THz) 红外： GHz(1000THz=1pHz) 可见光：0.76－0.4µm

7 微波系统构成 无源和有源器件 (半导体或电真空) 传输线 及不连续性 微波部件 微波系统 微波模块

8 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

9 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）

10 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）

11 鳍线（fin-line 单侧鳍线 双侧鳍线 对极鳍线

12 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 单模带宽 宽 窄 较窄 较宽 阻抗范围
过渡 较易 容易 较难 难 尺寸重量 小 较大 大 较小

13 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。

14 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。

15 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: 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。

16 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。

17 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。

18 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。

19 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。

20 LTCC－MCM

21 LTCC－MCM

22 LTCC工艺流程

23 LTCC实例－LMDS发射模块

24 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

25 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)

26 计算电磁学及其应用 电磁场问题求解方法： 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。
★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。

27 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)

28 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。

29 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

30 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。

31 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。

32 PBG应用： 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；
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 。

33 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。

34 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。

35 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

36 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

37 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。

38 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： 60GHz, 1W, PAE=20%, 60GHz，3.8W, 31dB，8个模块合成 95GHz, 480mW, PAE=20% TRW公司InP HEMT低噪声MMIC： 170－200GHz, G=15dB, Nf=4.8dB

39 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) 26-40 36-40 55-60 噪声系数(dB)
2.5 3.5 增益(dB) 13 17 18 10 厂家 UMS Sanders Fujitsu

40 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) 33-36 29-33 37-40 55-60
增益(dB) 17 11 10 12 P1dB (dBm) 31 32.6 32 15 厂家 Triquit Sanders UMS

41 毫米波多功能MMIC 英国DERA的43.5-45.5GHz MMIC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Northgrop Grumman 公司MMIC W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 GHz：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。

42 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、可调的集中参数电感和低损耗微波与毫米波滤波器中得到应用。制作微波高波段或毫米波低损耗线和屏蔽膜片微带(SMM-Shielded-Membrane-Microstrip) SMM的介质损耗和辐射损耗低。

43 微加工技术和微机电系统(MEMS) 微电子技术的巨大成功在许多领域引发了一场微小型化革命，以加工微米 /纳米结构和系统为目的的微米 /纳米技术（Micro/nanoTechnology）在此背景下应运而生。 一方面人们利用物理化学方法将原子和分子组装起来，形成具有一定功能的微米/纳米结构； 另一方面人们利用精细加工手段加工出微米/纳米级结构。前者导致了纳米生物学、纳米化学等边缘学科的产生，后者则在小型机械制造领域开始了一场新的革命，产生了微加工(Micromachining)技术， 从而导致了微机电系统（Micro-Electro-Mechanical-Systems）的诞生。

44 微机电系统(MEMS) 微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-Systems－MEMS) 是集成电路工艺与精密机械加工相结合的新兴技术，利用静电场、磁场使微米至毫米量级的微型结构完成吸动、移动和转动的技术。 从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统，它本身就是一种多层结构。

45 微机电系统(MEMS) 近几年MEMS已应用于微波和毫米波系统中，实现多种形式低损耗开关、阻抗调配、多种可调器件（如滤波器）乃至可变型天线。
国际上称利用MEMS技术制作的微型RF部件为 RF- MEMS。RF- MEMS具有所需功耗低，Q值高等优点。 MEMS可用在微波和毫米波段作为开关元件，用以组成复杂的功能器件。

46 Si和SiGe衬底的元件和集成电路 在当今全球超过2500亿美元的半导体市场中，90 %以上的产品都是使用硅材料的集成电路。相对其它半导体材料而言，硅具有廉价丰富、易于生长大尺寸、高纯度的晶体及热性能与机械性能优良等优点。 然而几十年来微波集成电路一直使用价值昂贵的Ga As或 In P作衬底材料。 原因：硅BJT和MOSFET的工作频率太低；常用硅的电阻率太小 (1-100Ωcm)。

47 Si和SiGe衬底的元件和集成电路 最近几年，随着频率高达100GHz的硅二极管的研制成功，
在Si器件中加入Ge材料，实现了微波性能优良的HBT(异质结双极型晶体管)，使基于Si的有源电路可工作至60GHz以上。 这些器件的制作工艺与标准Si工艺相兼容。 尤为重要的是,Si的使用降低了MMIC的成本。 Si基技术的发展证明了在微波频段甚至毫米波段Si完全能取代GaAs或InP用作集成电路的衬底。

48 毫米波系统－毫米波雷达 毫米波雷达的应用主要集中在满足以下几个方面的需求： 进行高精度、高分辨测量，精确制导和目标指示；
获得宽带信号与增大回波信号多普勒带宽； 获得高天线增益，获得高雷达能量（发射机平均功率，发射天线增益和接收天线口径的乘积）； 获得精细的距离多普勒图像和目标识别； 测量复杂目标的结构； 改善雷达的抗干扰能力；

49 毫米波雷达 观测小尺寸目标； 空间雷达，例如空间飞行器交汇雷达； 受体积、重量严格限制的平台上的雷达，
例如：安装在坦克、导弹、飞机，特别是直升机和无人机等上的雷达，例如导弹上的寻的头、机载地形跟随、地形回避等； 低角跟踪、测高、抑制多径干扰； 窄波束、定向询问战场敌我识别； 毫米波无源探测。

50 毫米波雷达 搜索和目标截获, 火控和跟踪，精确制导，测试
美国Lockheed Martin 公司Startle坦克用搜索和跟踪雷达 : 95GHz, 4W, 3km。 美国Norden公司小型RPV监视雷达，95GHz, 2kW, 3km。 英国Searcherz 94GHz，装载巡逻艇上监视海上目标 德国KORA雷达，94GHz，战场侦察和地物测绘 美国TRAKX双频段跟踪雷达雷达：Ka和X波段

51 毫米波雷达(续) 美国Seatracks舰载火控雷达，Ka波段。 美国M－109坦克载高分辨率快速扫描雷达：70GHz, 500W。
美国麻省林肯实验室IRAR机载高分辨率多传感器系统包括毫米波雷达(85.3GHz)、CO2激光和GaAs激光。

52 毫米波雷达(续) 美国佐治亚理工学院HIPCOR－95高功率相参雷达：95GHz, 1kW，用于目标特性测量，为研制毫米波侦察、监视和目标探测设备提供技术支持。 美国佐治亚理工学院HIRES－95雷达目标三维成象雷达，95GHz，用于测量近距离(60m-180m)目标反射的极化散射矩阵。

53 毫米波雷达(续) 直升机载防撞和多功能雷达：
美国阿帕奇武装直升机载AN/APG78型 Ka波段长弓雷达：有源相控阵，对运动目标8km，对静止目标 6km。 美国MARCEL DASSAULT公司SAIGA雷达：35GHz，对90kV电力线探测距离1.5km。 法国Thomson公司ROMEO防撞雷达：94GHz，FWCW，1W，高压线500。 德国AEG－Telefunken公司直升机防撞雷达：59.1GHz，脉冲功率3W，2.4mm导线200m。

54 毫米波有源相控阵 毫米波有源相控阵 美国Lockheed Martin公司二维有源相控阵：
发射频率：60GHz，30元(5×6)，波束宽度18º，尺寸49mm×13mm。 接收频率：20GHz,128元(96个有源，32个无源)，低噪声放大，3位数字移相，波束宽10º，尺寸71 ×116.8mm。 日本三菱公司通信实验室Ka波段有源相控阵： 发射频率：28.05GHz，带宽4 ,口径2.2m 接收频率：18.25GHz，带宽5 ,口径1.5m 由38个子阵构成，每个子阵64元。

55 毫米波制导 毫米波制导是毫米波技术的重要应用领域。
毫米波介于微波和红外波段之间，它避免了光电制导系统全天候作战能力差的弱点，同时具有较高的制导精度和抗干扰性能，而且体积小、重量轻。 但工艺技术难度较大，成本较高。近年来毫米波元器件，特别是固体器件的迅速发展，使毫米波制导系统开发和应用出现高速发展的势头，成为军事电子领域的热点。

56 毫米波制导 毫米波导引头的任务是从复杂的杂波和干扰背景中检测出目标反射或辐射的信号，提取制导信息并形成控制指令。
毫米波制导方式可分为主动、半主动和被动。 主动制导－就是用雷达跟踪目标 ； 半主动制导－实际上是双站雷达寻的系统，由大功率照射雷达与弹上末制导接收机和跟踪器组成。照射的信号经目标反射，被弹上末制导接收并跟踪目标 。

57 毫米波制导 被动制导－也称无源制导，有两种： 一是利用目标的自然辐射与背景辐射之差从背景中检测目标，这种系统常称为辐射计；
二是反辐射导引头。 在主动或半主动导引头近距离跟踪目标时，由于角闪烁可能导致丢失目标，对此，可采用宽带和捷变频技术，也可主动与被动复合制导，在近距离（例如200m－300m）转为被动制导。

58 毫米波制导反坦克导弹 美国黄蜂”(WASP) 导弹, 美国“ 幼畜”(Maverick) AGM-65H导弹,
美国“ 海尔法”(Hellfire) 导弹（意译为“ 地狱火”） , 俄罗斯直升机米－28上装的AS－8导弹, 俄罗斯的改进型“ 螺旋”(Spiral) AT-6导弹,

59 毫米波制导防空导弹 爱国者导弹（PAC） PAC－1,PAC－2,PAC－3 美陆军于99年在白沙靶场进行了PAC-3寻的头拦截试验。
爱国者导弹PAC-3已列入TMD系统，正向亚洲扩充，欲将日、韩及台湾纳入该系统。

60 毫米波制导的灵巧弹药 灵巧弹药（Smart munitions），又称自导弹药（Self-guided munitions），国外也称为智能弹药。 实际上这是一种小型自主制导式导弹、炸弹和炮弹。灵巧弹药对体积重量功耗以及战场恶劣环境中工作等方面的要求，使毫米波集成技术成为其优选制导技术，由于其作用距离一般较近（典型值3 km左右），可采用固态源。

61 灵巧弹药和末敏弹 末敏弹（terminal sensing munitions）和末制导炮弹将两者结合，大大提高了火炮的威力。
美国BAT灵巧反坦克弹药 英国“ 梅林”(Merlin)末制导炮弹（意译为“ 灰背隼”） 英、法、瑞士、意大利联合研制末制导迫击炮弹“ 鹰狮”(Griffen) “ 萨达姆”(SADARM)末敏弹 德国“ 斯玛特”(SMART) 自动瞄准子母弹 北约MLRS多管火箭发射系统

62 反辐射导弹 反辐射导弹（ARM）（Anti-Radiation Missile）: 是一种集侦察、抗干扰、摧毁于一体的电子硬杀伤性武器，
它采用导引头截获、跟踪目标雷达辐射的电磁波，并引导导弹命中和摧毁敌方雷达或其它电磁波辐射源。 AGM-88 HARM（高速反辐射导弹） 91年沙漠风暴行动中，多国部队主要利用HARM攻击和压制伊拉克防空雷达。 99年5月美国及其北约盟国使用了1000多枚HARM导弹。

63 毫米波系统－毫米波通信 未来通信的目标是实现全球范围内的的个人通信。
无线通信网络,如移动通信网、无线本地环路、无线接入网…,由于其本身固有的灵活性、可移动性等优点,满足了人们实时通信的要求,大大方便了人们的工作与生活,产生了巨大的社会经济效益,得到了迅速的发展。 随着人们对多媒体、交互式等宽带业务的需求,要求无线通信的频率提高,从而提供更为广阔的传输带宽。

64 毫米波通信 毫米波在通信领域的应用主要在以下方面：
(1)短程链路和个人通信网（PCM），54GHz－64GHz频段,在传播过程中,受到雨和氧的吸收，传播衰耗大（15dB/km），组成微蜂窝通信系统可减小邻区干扰。 (2)公路运输的智能系统(ＩＴＳ,), 63.5ＧＨｚ比5.8ＧＨｚ或红外线更好,通信的数据速率约为几个Ｍｂ/ｓ

65 毫米波通信 (3)无线多媒体通信的局域网(ＷＬＡＮ), 容许人们携带膝上计算机随时随地与其它移动或固定终端的计算机进行数据通信,甚至多媒体通信,数据速率在10Ｍｂ/ｓ以上,甚至155Ｍｂ/ｓ。工作在60GHz频段。 (4)多点分播电视系统(ＬＭＤＳ)： 包括宽带通信网中的交互电视业务，在美国,使用频段为27.5ＧＨｚ－28.35ＧＨｚ和29.1ＧＨｚ－29.25ＧＨｚ。在欧洲,试用40.5GHz－42.5GHz频段。

66 毫米波通信 (5)卫星通信： 上下行频率44/20GHz（美国Milstar），20/30GHz和40/50GHz（欧洲；星间链路60GHz。） （6）同温层通信（STS）： 采用同温层气球为平台实现低成本、大容量、可支持宽带多媒体服务的通信系统，频率47/48GHz。

67 毫米波通信 毫米波军事通信主要集中在38GHz和60GHz频段，其主要应用领域：
（1）近距离保密通信：跨越江河峡谷的应急通信；指挥所与野战部队的保密通信；旅级和军级通信网。 （2）单兵保密通信：手持式和头盔式对讲机；背负式数据通信。

68 TDRSS 跟踪和数据中继卫星系统 (TDRSS) 欧洲空间局的OLYMPUS 是Ka波段通信卫星的先驱：
高级中继和技术卫星 (ARTEMIS) ，有效载荷包括S和Ka波段数据中继部分(SKDR)。 日本1997年发射的通信与广播工程试验卫星(COMETS)采用了S和Ka波段。 美国新一代的中继星TDRS－H，TDRS－I和TDRS－J中也增加了Ka波段。 美国正在计划中的卫星有十多个工作在Ka波段(30/20GHz)，已有15个V波段(50/40GHz)卫星系统在FCC注册。

69 谢 谢！