電子信息導(dǎo)論第九章微波技術(shù)與微波集成電路

第九章微波技術(shù)與微波集成電路《電子信息技術(shù)導(dǎo)論》編制黃載祿第九章微波技術(shù)

與微波集成電路提綱一、概述二、微波元器件三、微波天線四、平面微波電路五、微波電路與系統(tǒng)設(shè)計工具簡介六、我國微波集成電路狀況一、概述（一）微波的特性2似聲性：傳送微波的波導(dǎo)類似于聲學(xué)中的傳聲筒；發(fā)射微波的喇叭天線和縫隙天線類似于樂器中的喇叭、簫和笛；微波諧振腔類似于聲音共鳴箱等。3穿透性：微波能深入到某些物體內(nèi)部或者穿透物體，這和可見光不同，和某些射線相同（微波可以透過塑料、木板、植被、積雪和地表層等，其穿透能力與波長有關(guān)）。4共渡性：電子在真空管內(nèi)的渡越時間（10-9秒左右）與微波的振蕩周期相當(dāng)，因而控制電子的渡越時間，可使電子能量轉(zhuǎn)換成微波能量。6微波參數(shù)可控性：微波信號的頻率、相位等能夠控制。利用這一特性可讓微波信號承載大量的信息。5非電離性：微波在穿透物體時不會改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞分子的化學(xué)鍵。1似光性：微波的傳播特性和幾何光學(xué)相似，能像光線一樣直線傳播；當(dāng)照射到地球上的一般物體上時，會產(chǎn)生反射、折射。微波的特性（二）微波技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用一、概述微波成為一門獨立的科學(xué)技術(shù)，開始于20世紀(jì)30年代，成熟于第二次世界大戰(zhàn)之后60、70年代。1，微波電路的發(fā)展歷程由波導(dǎo)傳輸線及器件、諧振腔和微波電子管（包括速調(diào)管、行波管、磁控管、返波管、回旋管、虛陰極振蕩器等）等組成。20世紀(jì)40年代分立微波電路由微帶元件、集總元件、微波固態(tài)器件等無源微波器件和有源微波元件，利用擴散、外延、沉積、蝕刻等制造技術(shù)制作在一塊半導(dǎo)體基片上的微波混合集成電路。60年代初微波混合集成電路70年代單片微波集成電路單片微波集成電路（MMIC）比混合微波電路HMIC體積更小、壽命更長、可靠性高、噪聲低、功耗小、工作的極限頻率更高，是當(dāng)前微波電路發(fā)展的主要潮流。一、概述2，微波技術(shù)的主要應(yīng)用雷達(dá)通信導(dǎo)航大地測量氣象微波技術(shù)應(yīng)用射電天文工業(yè)檢測醫(yī)療遙感通信、雷達(dá)是應(yīng)用最廣的領(lǐng)域。二、微波元器件（一）分立微波元器件1，無源器件20世紀(jì)60~70年代，主要采用由銅或者鋁制作的方形波導(dǎo)、圓形波導(dǎo)。環(huán)形隔離器（用于收、發(fā)兩方向信號隔離）雙脊波導(dǎo)可調(diào)衰減器移相器可調(diào)衰減器二、微波元器件2，有源器件微波電真空器件行波管放大器磁控管微波晶體管二、微波元器件（一）分立微波元器件3，波導(dǎo)中的電磁波電磁波能量在波導(dǎo)內(nèi)以一定的“模式”傳輸，波導(dǎo)尺寸與模式有關(guān)。矩型諧振腔中電力線、磁力線分布示意波導(dǎo)外面沒有電磁波。二、微波元器件（二）微帶元器件1，原理帶狀傳輸線（雙傳輸線）微帶傳輸線（單傳輸線）微帶線基本結(jié)構(gòu)型式有兩種：微帶傳輸線和帶狀傳輸線。微帶線是單接地板固體介質(zhì)傳輸線，帶狀線是雙接地板空氣或固體介質(zhì)傳輸線。二、微波元器件（二）微帶元器件2，器件微帶線匹配的50M功率放大器30GHz微帶毫米波耦合電路印制電路板上微帶線二、微波元器件利用微帶線理論可以設(shè)計微波帶通濾波器；根據(jù)基片厚度、介質(zhì)厚度、介電常數(shù)等參數(shù)設(shè)計好結(jié)構(gòu)樣圖后，利用擴散、外延、沉積、蝕刻等工藝制造。從90年代開始，微帶電路已開始在3mm波段用在微波集成電路中，至今已進入1mm波段。微帶集成的毫米波子系統(tǒng)和系統(tǒng)已經(jīng)大量用子實際工程。由于所用材料、工藝都不同于半導(dǎo)體集成電路，因而不能將微波集成電路和半導(dǎo)體集成電路等同。微帶電路是微波電路集成化、固態(tài)化、小型化的基礎(chǔ)。其理論、設(shè)計與制造是當(dāng)前我國的弱項，它關(guān)系國防現(xiàn)代化。三、微波天線（一）微波拋物面天線多種形式的拋物面天線（二）微波縫隙天線三、微波天線原理圖雷達(dá)平板縫隙天線實物三、微波天線（二）微波縫隙天線縫隙天線應(yīng)用飛機高速艦艇導(dǎo)彈飛船雷達(dá)縫隙天線應(yīng)用縫隙天線外有保護層，不易發(fā)現(xiàn)。三、微波天線（三）微帶天線微帶天線可用于1～50GHz。主要優(yōu)點：剖面薄、體積小、重量輕、易于結(jié)構(gòu)造型、易集成、成本低和容易制作等。四、平面微波電路（一）混合微波集成電路微波混合集成電路有：微帶混頻器、微波低噪聲放大器、功率放大器、倍頻器、相控陣單元等各種寬帶微波電路。實物圖四、平面微波電路混合微波集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)四、平面微波電路

小結(jié)

與分立微波元件相比，混合微波集成電路可以大大減小微波器件的體積。但由混合微波集成電路構(gòu)成的設(shè)備仍大，各單元間的連接嚴(yán)重影響了設(shè)備的可靠性。隨著集成電路的工作頻率不斷向微波高端延伸，對單片微波集成電路的需求日益迫切。（二）單片微波集成電路四、平面微波電路

MMIC的制作過程與一般半導(dǎo)體IC有相似之處，需經(jīng)過版圖設(shè)計、制作、測試與封裝等階段。但MMIC的設(shè)計、制作工藝和封裝都與一般半導(dǎo)體IC不同。1.MMIC的版圖8~11GHZ功率放大級芯片版圖激勵放大器芯片布線功率控制電路芯片布線四、平面微波電路（二）單片微波集成電路2.MMIC的版圖設(shè)計以Virtuoso模擬/數(shù)字混合射頻仿真軟件為例，進行版圖設(shè)計。第一步，根據(jù)設(shè)備指標(biāo)需求，擬定系統(tǒng)組成框圖（以5.25GHz典型高頻收發(fā)系統(tǒng)為例）給出各單元電路的性能指標(biāo)及各單元的電原理圖。第二步，射頻收發(fā)系統(tǒng)的整體電路仿真系統(tǒng)電路布局系統(tǒng)芯片測試點設(shè)置把所有模塊連成系統(tǒng)，加上襯墊、靜電保護等構(gòu)成一個完整的芯片系統(tǒng)。設(shè)置測試點，對這個系統(tǒng)加上激勵信號，觀察輸出，進行仿真測試。四、平面微波電路第三步，輸出版圖，并進行后仿真單片射頻收發(fā)芯片版圖后仿真包括：全面測試系統(tǒng)性能、干擾、穩(wěn)定性等。觀察各項指標(biāo)是否符合預(yù)定要求。后仿真是系統(tǒng)級在各項指標(biāo)符合要求后，可進行下一步生產(chǎn)版圖的設(shè)計。通常生產(chǎn)版圖是由生產(chǎn)廠完成。版圖設(shè)計（電路仿真）是一個反復(fù)進行的過程，其中包括修改單元電路方案、調(diào)整元件參數(shù)、版圖布局等，最終才能達(dá)到系統(tǒng)的整體優(yōu)化。四、平面微波電路小結(jié)微波電路的設(shè)計仿真軟件是電子信息系統(tǒng)、器件或單元電路模塊設(shè)計廣泛采用的工具，這不僅可大大提高了設(shè)計效率、質(zhì)量，同時也是技術(shù)工作方式的變革：懂得系統(tǒng)原理，具有實際知識，會使用仿真軟件，就可以設(shè)計出系統(tǒng)。了解電路設(shè)計工程實際中的這一狀況，應(yīng)有助于大學(xué)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)與能力培養(yǎng)。四、平面微波電路四、平面微波電路（三）微波集成電路的封裝

封裝技術(shù)是實現(xiàn)微波器件小型化的重要手段。采用多芯片組件（MCM—Multi-ChipModule），可以省去MMIC之間的高頻接頭，進一步實現(xiàn)小型化。多芯片組裝是一項激動人心的微電子技術(shù)，該技術(shù)對電子信息產(chǎn)品發(fā)展的影響無法估量。MCM用于微波組件封裝具有特別的重要性和技術(shù)難度。近年發(fā)展了一種低溫共燒陶瓷（LTCC,LowTemperatureCo-firedCeramics）的三維微波多層結(jié)構(gòu)組件技術(shù)，它通過微波傳輸線（如微帶線、帶狀線、共面波導(dǎo)）、邏輯控制線和電源線的混合信號設(shè)計，將單片微波集成電路MMIC芯片與收/發(fā)模塊組合在同一個三維微波多層結(jié)構(gòu)組件中。MMIC芯片組件LTCC封裝結(jié)構(gòu)示意MMIC芯片組件封裝結(jié)構(gòu)示意MCM封裝技術(shù)可實現(xiàn)微波組件的三維結(jié)構(gòu)，縮小了體積，提高了設(shè)備可靠性。該技術(shù)已從軍用向民用擴展，如汽車?yán)走_(dá)（76～77GHz的MMIC模塊）巡航控制、無線局域網(wǎng)收/發(fā)模塊、通信網(wǎng)絡(luò)組件、藍(lán)牙收/發(fā)模塊和天線開關(guān)模塊、手機等設(shè)備中。它有廣闊市場。四、平面微波電路五、微波電路與系統(tǒng)

設(shè)計工具簡介傳統(tǒng)的設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足微波電路設(shè)計的需要,使用微波EDA（ElectronicDesignAutomation）軟件工具進行微波元器件與微波系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)成為微波電路設(shè)計的必然趨勢。

（一）微波電路設(shè)計的發(fā)展趨勢電路的尺寸要求越做越小電路的功能越來越多對電路的指標(biāo)要求越來越高系統(tǒng)的設(shè)計越來越復(fù)雜設(shè)計周期越來越短微波EDA工具是電磁場理論數(shù)學(xué)方程求解的計算機程序化。學(xué)好“高等數(shù)學(xué)”將有助于從事創(chuàng)新設(shè)計軟件工具開發(fā)。五、微波電路與系統(tǒng)

設(shè)計工具簡介

（二）微波電路與系統(tǒng)設(shè)計的仿真軟件1，基于矩量法的微波仿真軟件ADS仿真軟件Sonnet仿真軟件

ZelandIE3D仿真軟件MicrowaveOffice軟件Ansys公司的FEKO軟件nsoftDesigner2，基于時域有限差分法的微波仿真軟件ZelandFIDELITY仿真軟件IMSTEmpire仿真軟件

XFDTD仿真軟件3，其它微波仿真軟件AnsoftHFSS有限元的微波仿真軟件時域積分法（FITD）仿真軟件模擬/數(shù)字混合射頻仿真軟件（Virtuoso）仿真軟件眾多，這是當(dāng)前電子系統(tǒng)工程師的最重要的設(shè)計工具之一。各軟件工具都各具特色，只有在要應(yīng)用時才需要去詳細(xì)熟悉、掌握。六、我國微波集成電路

狀況MCM技術(shù)有二維和三維。國外二維MCM技術(shù)己成熟，三維MCM系統(tǒng)集成技術(shù)在高速發(fā)展。目前，國外三維MCM技術(shù)主要應(yīng)用于航天、航空、軍事和大型計算機等領(lǐng)域。目前我國微波集成電路的發(fā)展水平和國外有較大差距，微波薄膜電路完全依賴進口，如涉及敏感頻段（如毫米波）往往設(shè)置了種種限制，已成為制約我國微波產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平提升的瓶頸。其差距主要表現(xiàn)在：一是單片微波集成電路（MMIC）制造技術(shù)，二是多芯片組件（MCM）技術(shù)。目前，MCM技術(shù)已經(jīng)獲得了十分成功的應(yīng)用。除軍事應(yīng)用外，在移動通信、汽車電子、筆記本電腦、辦公和消費電子等領(lǐng)域也已應(yīng)用廣泛。而有關(guān)MCM技術(shù)的實用化工作在我國尚屬起步階段。發(fā)展微波集成電路不只是技術(shù)問題、產(chǎn)業(yè)問題，而且是關(guān)系我國能否自主發(fā)展高端國防電子信息產(chǎn)品的戰(zhàn)略性問題。本章小結(jié)

現(xiàn)代電子信息技術(shù)最有影響力的技術(shù)之一是無線通信，包