微波电路发展现状【微波元件的发展与现状】

　　战争对军用微波雷达的需求，催生了微波元件。随着微波技术不断的进步，微波元件及相关介质材料的市场规模正急剧上升。微波元件已广泛用于微波通信系统、遥测系统、雷达、导航、生物医学、电子对抗、人造卫星、宇宙飞船等各个领域。随着微波半导体器件工作频率的进一步提高，功率容量的增大，噪声的降低以及效率和可靠性的提高，特别是集成化的实现，使微波电子系统发生了新的变化。在此，我们将介绍微波器件及其分类，简述微波半导体器件和微波集成电路的发展历程，并简单阐述其发展趋势。
　　
　　微波元件及其分类
　　
　　在微波系统中，实现对微波信号的定向传输、衰减、隔离、滤波、相位控制、波形及极化变换、阻抗变换与调配等功能作用的，统称为微波元(器)件。简单地说，微波元件就是工作在微波频段的电磁元件。
　　在低频电子线路中，常用的无源元件很多，最常用到的是电阻、电容、电感、变压器等。同样，在微波电路中也广泛地使用电阻、电容、电感等无源元件。但是，由于频率的增高，低频电路中常用的这些元件已经不能运用于微波频段，而通过微波技术的研究与发展，如使用分布参数电路，利用传输线的不均匀性等办法即可实现微波频段的电感与电容。此外，构成一个具有一定功能的微波电路，还离不开诸如定向耦合器、功分器、阻抗匹配器、微波滤波器、衰减器、终端负载等几十种无源微波元件；此外，与低频电子线路一样，微波电子线路也包含有各种形式的微波有源器件，如放大器、混频器、微波开关、振荡器等。它们的各种组合能够完成对微波信号的一系列处理。
　　如果将微波元件按其工作原理和所用材料、工艺分类，又可分为微波电真空器件、微波半导体器件、微波集成电路和微波功率模块。微波电真空器件包括速调管、行波管、磁控管、返波管、回旋管、虚阴极振荡器等，利用电子在真空中运动及与外围电路相互作用产生振荡、放大、混频等各种功能。微波半导体器件包括微波晶体管和微波二极管，具有体积小、重量轻、耗电省等优点，但在高频、大功率情况下，不能完全取代电真空器件。微波集成电路是将具有微波功能的电路用半导体工艺制作在砷化镓或其他半导体材料芯片上，形成功能块，在固态相控阵雷达、电子对抗设备、导弹电子设备、微波通信系统和超高速计算机中，有着广阔的应用前景。微波功率模块是通过采用固态功率合成技术，将多个固态微波功率器件组合形成的器件，具有效率高、使用方便等优点，对雷达、通信、电子对抗等电子装备实现全固态化有重要意义。
　　
　　微波半导体器件的发展历程
　　
　　在实际微波系统中，各种形式的有源元件用于微波的产生、放大、倍频、变频等关键问题，微波固体电子学的发展成为这些有源元件发展的主要动力，在过去的几十年里，各种形式的微波半导体器件不断出现，推动了微波技术的发展。
　　
　　20世纪50年代，出现了微波二极管，其工作频率可达100GHz，但工作效率较低。进入60年代后，微波半导体器件以硅双极微波晶体管为主，至今仍是微波低端半导体功率器件的一种选择。70年代中期，相关的研究转入电子迁移率更高的GaAs MOSFET器件，并形成了微波单片集成电路的集成化进步，同时进入到毫米波低端。80年代初，分子束外延(MBE)和金属有机化合物汽相淀积(MOCVD)等先进技术的发展，使得人们可以在原子尺度上发展半导体材料，超晶格和异质结由理论设想转化为实际物理结构，新型材料和新型器件层出不穷，如高电子迁移率晶体管(HEMT)、晶格HEMT(PHEMT)、异质结双极晶体管(HBT)等。从90年代开始，微波半导体器件呈现出两大趋势：一是硅基的集成电路由于工艺的发展形成了射频互补金属氧化物半导体器件(RF CMOS)和射频微机械电子系统(RF MEMS)的新的研究和应用，比如恩智浦半导体发布的BFU725F微波NPN晶体管，即采用的用于分立器件的硅锗碳(SiGeC)工艺技术，具有高开关频率、高增益和超低噪声等多重特点，另外是化合物半导体由于新材料的发展，形成了宽禁带半导体和窄禁带半导体器件的研究。现阶段，八、九十年代发展起来的微波半导体器件仍然是现如今的主要发展方向。
　　前不久，佐治亚理工大学的研究者采用碳60薄膜利用常温工艺成功制造出高性能场效应晶体管，在常温工艺下即可达2.7～5cm2／V／s的电子迁移率(见图1)。相信研发人员在利用有机材料制作晶体管的同时，会尝试利用新材料的形成来增加电子移动率的途径，以便得到更有效的微波半导体器件。
　　
　　微波集成电路的发展历程
　　
　　微波电路开始于40年代应用的立体微波电路，它是由波导传输线、波导元件、谐振腔和微波电子管组成的。随着微波固态器件的发展以及分布型传输线的出现，60年代初，出现了平面微波电路，它是由微带元件、集总元件、微波固态器件等无源微波器件和有源微波元件利用扩散、外延、沉积、蚀刻等制造技术，制作在一块半导体基片上的微波混合集成电路，即HMIC，属于第二代微波电路。与以波导和同轴线等组成的第一代微波电路相比较，它具有体积小、重量轻等优点，避免了复杂的机械加工，而且易与波导器件、铁氧体器件连接，可以适应当时迅速发展起来的小型微波固体器件。又由于其性能好、可靠性强、使用方便等优点，因此被用于各种微波整机，并且在提高军用电子系统的性能和小型化方面起了显著的作用，至今仍是一种灵活有效的电路形式。
　　70年代，GaAs材料制造工艺的成熟，对微波半导体技术的发展有着极为重要的影响。GaAs材料的电子迁移率比Si高七倍，而且漂移速度也比Si高得多，这种高频高速性能是由其材料特性决定的。又由于GaAs材料的半绝缘性(其电阻率可达105Ω／cm)可以不需要采用特殊的隔离技术而将平面传输线、所有无源元件和有源元件集成在同一块芯片上，更进一步地减小了微波电路的体积。
　　
　　正是由于GaAs技术的问世与GaAs材料的特性而促成了由微波集成电路向单片微波集成电路(MMIC)的过渡。与第二代的微波混合电路HMIC相比较，MMIC的体积更小、寿命更长、可靠性高、噪声低、功耗小、工作的极限频率更高等优点，因此，受到广泛的重视。尽管如此，Si和GaAs一直是个激烈讨论的题目。两个主要的技术分歧点是微波晶体管的性能和半导体用作无源元件半绝缘基片时的损耗。如上文所述，GaAs的电子迁移率和漂移速度也比Si高得多，这使得GaAs在低耗无源电路的应用方面有很好的特性，但是在热导率方面，Si却远远超出GaAs。这些因素导致许多公司在过去的几年中大量投资于GaAs技术作为微波应用。然而，Si依然 是个强有力的竞争对手。实际上，随着微波无线产品巨大市场的出现，Si MMIC的发展得以强劲复苏。si和GaAs的争夺前沿是潜在商机十分可观的6GHz以下区域。较高频率应用中也已开始出现Si基微波IC，如Ku波段的DBS的卫星接收机之类。Si异质结双级晶体管技术正在为Si技术在更高频率的应用铺平道路。
　　目前，单片微波集成电路已经使用于各种微波系统中。在这些微波系统中的MMIC器件包括：MMIC功放、低噪声放大器(LNA)、混频器、上变频器、压控振荡器(VCO)、滤波器等直至MMIC前端和整个收发系统。单片电路的发展为微波系统在各个领域的应用提供了广阔的前景。由MMIC器件所组成的微波系统，已广泛应用于空间电子、雷达、卫星、公路交通、民航系统、电子对抗、通信系统等多种尖端科技中。表1列出了一些主流厂商最新MMIC产品，以供参考。
　　随着MMIC技术的进一步提高和多层集成电路工艺的进步，利用多层基片内实现几乎所有的无源器件和芯片互联网络的三维多层微波结构受到越来越多的重视。而且建立在多层互连基片上的MCM(Multi-Chip Module)技术将使微波／毫米波系统的尺寸变得更小。
　　此外随着人们对微电子机械系统(MEMS)技术的研究，利用MEMS技术可以使无线通信设备中的外接分立元件达到微型化，低功耗及可携带性的要求。MEMS采用深刻蚀技术，实现宏观机械上的三维结构，使以前的无源器件的小型化成为可能，同时将版图面积大幅度下降，另外更加容易集成，MEMS的器件主要是以Si作为加工材料，这就使它相对传统的利用MMIC技术制作的器件的成本大幅度下降。MEMS的这些特点也就决定了它向微小型化、多样性和微电子技术方向不断发展。因此，根据MEMS和MMIC技术特点，制成一种结合两种技术优点的器件或电路成为一种趋势。
　　
　　趋势与展望
　　
　　随着市场需求以及科技的不断进步，新型微波元件正向微型化、片式化、高性能化、集成化、智能化、环保节能方向发展。微小型和片式化技术、无源集成技术、抗电磁干扰技术、低温共烧陶瓷技术、绿色化生产技术等已成为行业技术进步的重点。微电子机械系统(MEMS)和微组装技术的高速发展，也将促进微波元件功能和性能的大幅提升。
　　为了满足移动通信、WLAN等市场的需求以及微波集成电路发展的需要，相信仍然会不断的涌现新型微波元件。随着通信技术的迅速发展及市场需求的不断扩大，微波元件及相关介质材料的市场规模也将急剧上升。微波元件的发展虽任重道远，但前景令人乐观。