微波毫米波技术基本知识ppt课件

微波毫米波技术基本知识 2004年3月 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 微波频段划分 UHF 毫米波频段 EHF 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 微波模块 微波系统 二 微波和毫米波传输线 微波集成电路传输线 带状线 stripoline 微带线 Microstrip 悬置带线 suspendedstripline 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 Uilateralfinline 双侧鳍线 Bilateralfinline 对极鳍线 Antipodalfinline 鳍线 fin line 单侧鳍线 双侧鳍线 对极鳍线 毫米波集成传输线比较 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 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 MultilayerMicrowaveCircuits 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 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 多芯片模块 MCM MCM Multi Chip Module 是广义的3DMICMCM 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 HTCC HighTemperatueCofiredCeramicLTCC LowTemperatueCofiredCeramicMCM 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 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 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 computationalelectromagnetics 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 PBG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 defectedGroundStructure 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 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 HBTHEMT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 60GHz 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 毫米波功率放大器MMIC 毫米波功率放大器MMIC 芯片 产品性能 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 3cm3美国TRW公司的Ka波段收发组件频率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 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 Micro 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 常用硅的电阻率太小 1 100 cm 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Searcherz94GHz 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 CO2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 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 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18 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10 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 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 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