MMIC左手傳輸線寬帶功率分配/合成技術(shù)研究

左手材料是一類不存在于自然界中的具有負(fù)折射率的新型人造電磁材料。使用左手材料可以實(shí)現(xiàn)電磁波的反向波傳輸、亞波長(zhǎng)聚焦以及后向輻射等特殊行為。零相移左手傳輸線是左手材料在微波集成電路上的成功應(yīng)用，它消除了微波傳輸線長(zhǎng)度對(duì)傳輸信號(hào)相位的影響，對(duì)實(shí)現(xiàn)微波器件的小型化有著重要的意義。本項(xiàng)目在對(duì)微波頻段左手材料的長(zhǎng)期研究基礎(chǔ)上，針對(duì)左手傳輸線帶寬窄損耗大，提出了一種超寬帶低損耗的零相移左手傳輸線結(jié)構(gòu)，通過仿真驗(yàn)證了其在功率分配/合成上應(yīng)用的可行性，并對(duì)其在功率合成放大器等微波電路和器件上的應(yīng)用作了初步探索。對(duì)于克服左手材料高損耗、窄帶寬的缺點(diǎn)，利用其開發(fā)新型微波器件以及微波集成系統(tǒng)有著極其重要的意義。 2100433B

單片微波集成電路，即MMIC是Monolithic Microwave Integrated Circuit的縮寫，它包括多種功能電路，如低噪聲放大器（LNA）、功率放大器、混頻器、上變頻器、檢波器、調(diào)制器、壓控振蕩器（VCO）、移相器、開關(guān)、MMIC收發(fā)前端，甚至整個(gè)發(fā)射/接收（T/R）組件（收發(fā)系統(tǒng)）。由于MMIC的襯底材料（如GaAs、InP）的電子遷移率較高、禁帶寬度寬、工作溫度范圍大、微波傳輸性能好，所以MMIC具有電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、功率大、附加效率高、抗電磁輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

自1974年，美國(guó)的Plessey公司用GaAs FET作為有源器件，GaAs半絕緣襯底作為載體，研制成功世界上第一塊MMIC放大器以來，在軍事應(yīng)用（包括智能武器、雷達(dá)、通信和電子戰(zhàn)等方面）的推動(dòng)下，MMIC的發(fā)展十分迅速。80年代，隨著分子束外延、金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積技術(shù)（MOCVD）和深亞微米加工技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，MMIC發(fā)展迅速。1980年由Thomson-CSF和Fujitsu兩公司實(shí)驗(yàn)室研制出高電子遷移率晶體管（HEMT），在材料結(jié)構(gòu)上得到了不斷的突破和創(chuàng)新。1985年Maselink用性能更好的InGaAs溝道制成的贗配HEMT（PHEMT），使HEMT向更調(diào)頻率更低噪聲方向發(fā)展。繼HEMT之后，1984年用GaAlAs/GaAs異質(zhì)結(jié)取代硅雙極晶體管中的P-N結(jié)，研制成功了頻率特性和速度特性更優(yōu)異的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）和HBT MMIC。由于InP材料具有高飽和電子遷移率、高擊穿電場(chǎng)、良好的熱導(dǎo)率、InP基的晶格匹配HEMT，其性能比GaAs基更為優(yōu)越，隨著InP單晶的制備取得進(jìn)展，InP基的HEMT、PHEMT、MMIC性能也得到很大的提高?！?微波單片集成電路具有電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、功率大、附加效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，并可縮小的電子設(shè)備體積、重量減輕、價(jià)格也降低不少，這對(duì)軍用電子裝備和民用電子產(chǎn)品都十分重要。美國(guó)、日本、西歐都把MMIC作為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的核心，競(jìng)相投入大量的人力、物力，展開激烈的競(jìng)爭(zhēng)?！?80年代中期以前的MMIC，頻率一般在40GHz以下，器件是采用柵長(zhǎng)為0.5mm左右的GaAs 金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET）。在低噪聲MMIC領(lǐng)域的先進(jìn)水平都被HEMT、PHEMT和飛速發(fā)展的InP HEMT所取代，InP基HEMT的最佳性能是fT為340GHz，fmax為600GHz。低噪聲MMIC放大器的典型水平為29～34GHz下，2級(jí)LNA噪聲為1.7dB，增益為17dB；92～96GHz，3級(jí)LNA噪聲為3.3dB，增益為20dB；153～155GHz，3級(jí)低LNA增益為12dB?！?美國(guó)TRW公司已研制成功MMIC功率放大器芯片，Ka波段輸出功率為3.5W，相關(guān)功率增益11.5dB，功率附加效率為20%，60GHz的MMIC輸出功率為300mW，效率22%，94GHz采用0.1mm AlGaAs/InGaAs/GaAs T型柵功率二級(jí)MMIC，最大輸出功率300mW，最高功率附加效率為10.5%?！?HP公司研制了6～20GHz單片行波功率放大器，帶內(nèi)最小增益為11dB，帶內(nèi)不平坦度為±0.5dB，20GHz處1dB壓縮點(diǎn)輸出功率達(dá)24dB。Raythem. Samvng及Motorola聯(lián)合開發(fā)的X-Ku波段，MMIC單片輸出功率達(dá)3.5W，最大功率附加效率為49.5%?！?西屋公司研制成功直流-16GHz，6位數(shù)字衰減器MMIC，16GHz插損小于5dB?！?日本三菱電器公司研制的大功率多柵條AlGaAs/GaAs HBT，在12GHz下功率附加效率為72%；NEC公司開發(fā)的26GHz AlGaAs/GaAs大功率HBT器件達(dá)到了目前最高輸出功率（740mW）和功率附加效率（42%）。

MMIC發(fā)展中的里程碑

單片微波集成電路(與混合微波集成電路相比)，有如下優(yōu)點(diǎn)與不足

單片微波集成電路建模技術(shù)

對(duì)于MMIC設(shè)計(jì)而言，重復(fù)性設(shè)計(jì)的成本是非常昂貴的，因此器件建模和仿真過程是非常重要的，應(yīng)用CAD技術(shù)建立的器件模型是影響電路設(shè)計(jì)精度的關(guān)鍵因素。電路規(guī)模越大、指標(biāo)和工作頻段越高，對(duì)器件模型精度要求也越高。準(zhǔn)確的半導(dǎo)體器件模型對(duì)提高微波毫米波單片微波集成電路的成品率、縮短研發(fā)周期起著非常重要的作用。由于MMIC制造技術(shù)仍在不斷發(fā)展中，不同工藝線的工藝各不相同，因此不同的工藝上的模型庫也不盡相同，因此必須針對(duì)特定的工藝建立特定的MMIC模型庫。

對(duì)于無源器件模型，由于電磁場(chǎng)理論分析比較成熟，模型建立比較簡(jiǎn)單，但是電感模型的建立是個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)殡姼幸紤]自感、互感及寄生效應(yīng)的存在及影響，并且電路版圖、原理圖及實(shí)測(cè)值之間的契合也是難點(diǎn)。對(duì)于有源器件，需要建立精確的小信號(hào)和大信號(hào)模型，對(duì)于低噪聲電路(如低噪聲放大器和振蕩器)還要建立噪聲模型。線性的小信號(hào)等效電路模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)小信號(hào)S參數(shù)，但是卻不能反應(yīng)大信號(hào)的功率諧波特性，因此對(duì)于功率放大器、混頻器和振蕩器等非線性器件，需要建立微波非線性器件模型。