1、微波毫米波技术,基本知识,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,100,1.5,1500kHz,30MHz,30,300,以上,300MHz,波长,20km,3km,3km,200m,200m,10m,10m,1m,1m,以下,微波频段划分,UHF,名称,频率,P,225,390,MHz,133.2,76.9,cm,L,0.39,1.55,MHz,76.9,19.3,cm,S,1.55,3.9,GHz,19.3,7.69,cm,C,X,Ku,1
2、2.4,18,GHz,2.42,1.67,cm,K,18,26.5,GHz,1.67,1.13,cm,波长,3.9-6.9,6.9,GHz,12.4,GHz,7.69,4.35,4.35,2.42,cm,cm,毫米波频段,EHF,名称,Ka,Q,U,40,60,V,50,75,E,60,90,W,75,110,F,D,G,频率,26.5,33,GHz,40,50,90,110,140,140,170,220,2.7,1.7,2.1,1.4,波长,11.3,9.1-6,7.5-5,6-4,mm,7.5,5-3.3,4-2.7,3.3,2.1,大气透明窗口,35GHz,95GHz,220GHz,1
3、40GHz,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,0.76,0.4,m,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
4、,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,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,coplanarline,微波集成电路传输线,共面波导,coplanarwaveguide,鳍线,fin-line,单侧鳍线,Uilateral,finline,双侧鳍线,Bilateral,finline,对极鳍线,Antipodal,finline,鳍线,fin-line,单侧鳍线,双侧鳍线,对极鳍线,毫米波集
5、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,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,微波电路或系统的革新体现在元、器件物
7、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,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,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
8、,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,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、
9、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,LTCC,MCM,LTCC,MCM,LTCC,工艺流程,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,
10、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,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
11、种重要方法,计算电磁学的几钟重要方法,有限元法,FEM,FiniteElementMethod,时域有限差分法,FDTD,FiniteDifferencenTimeDomainmethod,矩量法,MoM,MethodofMoments,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,PhotonicBandGap,PBG,在微波,领域的应用是突出代表,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
12、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,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,P
13、BG,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,defectedGround,Structure,或译为非理想接地板结构,可以说,DGS,是,PBG,的一种特例,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
14、,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,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,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,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
15、：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,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,InPHEMT,功率,MMIC,60
16、GHz,1W,PAE=20,60GHz,3.8W,31dB,8,个模块合成,95GHz,480mW,PAE=20,TRW,公司,InPHEMT,低噪声,MMIC,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,芯片,产品性能,频率,GHz,噪声系,数,dB,增益,dB,厂家,26-40,2.5,13,26-40,2.5,17,36-40,2.5,18,55-60,3.5,10,UMS,Sanders,Fujitsu,UMS,毫米波功率放大器,MMIC,毫米波功率放大器,MMIC,芯片,产品性能,33-36,频率,
17、GHz,增益,dB,17,P1dB,dBm,厂家,31,29-33,11,32.6,37-40,10,32,55-60,12,15,Triquit,Sanders,Sanders,UMS,毫米波多功能,MMIC,英国,DERA,的,43.5-45.5GHzMMIC,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,NorthgropGrumman,公司,MMICW,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,21.3cm,3,美国,TRW,公司的,Ka,波段收发组件频
18、率,17.5-35GHz,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,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,m,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-
19、Membrane-Microstrip,SMM,的介质损耗和辐射损耗低,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,Mic
20、ro-Electro-Mechanical,Systems,的诞生,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,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,MEMS,
21、代表了集成电路技术中一项新的革命,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,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,GaAs,或,InP,作衬底材料,原因：硅,BJT,和,MOSFET,的工作频率太低；常用,
22、硅的电阻率太小,1,100cm,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,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
23、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,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,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,LockheedMartin,公司,Startle,坦
24、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,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,英国宇航局,94GHz,机载雷达用于地面目标侦,察与识别,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,CO,2
25、,激,光和,GaAs,激光,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,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,MARCELDASSAULT,公司,SAIGA,雷达,35GHz,对,90kV,电力线探测距离,1.5
26、km,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,毫米波有源相控阵,毫米波有源相控阵,美国,LockheedMartin,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,28.05GH
27、z,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,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,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
28、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,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,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
29、,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,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,毫米波制导的灵巧弹药,灵巧弹药,Smartmunitions,，又称自导弹药,Self-guidedmunitions,，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
30、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,3km,左,右），可采用固态源,灵巧弹药和末敏弹,末敏弹,terminalsensingmunitions,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,反辐射导弹,反辐射导弹,ARM,Anti-RadiationMissile,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-88HARM,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,毫米波系统毫米波通信,未来通信的目标是实