电子信息导论 第九章 微波技术及微波集成电路

1、第九章 微波技术与微波集成电路电子信息技术导论电子信息技术导论编制编制 黄载禄黄载禄第九章第九章 微波技术微波技术 与微波集成电路与微波集成电路提纲提纲一、一、 概述概述二、二、 微波元器件微波元器件三、三、 微波天线微波天线四、四、 平面微波电路平面微波电路五、五、 微波电路与系统设计工具简介微波电路与系统设计工具简介六、六、 我国微波集成电路状况我国微波集成电路状况一、概述一、概述（一）（一） 微波的特性微波的特性2似声性：似声性：传传送微波的波送微波的波导类似于声导类似于声学中的传声学中的传声筒；发射微筒；发射微波的喇叭天波的喇叭天线和缝隙天线和缝隙天线类似于乐线类似于乐器中的喇叭、器中

2、的喇叭、箫和笛；微箫和笛；微波谐振腔类波谐振腔类似于声音共似于声音共鸣箱等。鸣箱等。3穿透性：穿透性：微微波能深入到某波能深入到某些物体内部或些物体内部或者穿透物体，者穿透物体，这和可见光不这和可见光不同，和某些射同，和某些射线相同（微波线相同（微波可以透过塑料、可以透过塑料、木板、植被、木板、植被、积雪和地表层积雪和地表层等，其穿透能等，其穿透能力与波长有力与波长有关）。关）。4共渡性：共渡性：电电子在真空管子在真空管内的渡越时内的渡越时间（间（1010-9-9秒左秒左右）与微波右）与微波的振荡周期的振荡周期相当，相当， 因而因而控制电子的控制电子的渡越时间，渡越时间，可使电子能可使电子能量

3、转换成微量转换成微波能量。波能量。6微波参数可微波参数可控性控性：微波：微波信号的频率、信号的频率、相位等能够相位等能够控制。利用控制。利用这一特性可这一特性可让微波信号让微波信号承载大量的承载大量的信息。信息。5非电离性：非电离性：微波在穿微波在穿透物体时透物体时不会改变不会改变物质分子物质分子的内部结的内部结构或破坏构或破坏分子的化分子的化学键。学键。1似光性：似光性：微微波的传播特波的传播特性和几何光性和几何光学相似，能学相似，能像光线一样像光线一样直线传播；直线传播；当照射到地当照射到地球上的一般球上的一般物体上时，物体上时，会产生反射、会产生反射、折射。折射。微波的特性微波的特性（二

4、）微波技术的发展与应用二）微波技术的发展与应用一、概述一、概述微波成为一门独立的科学技术，开始于微波成为一门独立的科学技术，开始于20世纪世纪30年代，成熟于第二次世界大战年代，成熟于第二次世界大战之后之后60、70年代。年代。 1 1，微波电路的发展历程微波电路的发展历程由波导传输线由波导传输线及器件、谐振及器件、谐振腔和微波电子腔和微波电子管（包括速调管（包括速调管、行波管、管、行波管、磁控管、返波磁控管、返波管、回旋管、管、回旋管、虚阴极振荡器虚阴极振荡器等）等组成。等）等组成。20世纪世纪40年代年代分立微波电路分立微波电路由微带元件、集由微带元件、集总元件、微波固总元件、微波固态器件

5、等无源微态器件等无源微波器件和有源微波器件和有源微波元件，利用扩波元件，利用扩散、外延、沉积、散、外延、沉积、蚀刻等制造技术蚀刻等制造技术制作在一块半导制作在一块半导体基片上的微波体基片上的微波混合集成电路。混合集成电路。60年代初年代初微波混合集成电路微波混合集成电路70年代年代单片微波集成电路单片微波集成电路单片微波集成电单片微波集成电路（路（MMIC）比混）比混合微波电路合微波电路HMIC体积更小、寿命体积更小、寿命更长、可靠性高、更长、可靠性高、噪声低、功耗小、噪声低、功耗小、工作的极限频率工作的极限频率更高，是当前微更高，是当前微波电路发展的主波电路发展的主要潮流。要潮流。一、概述一

6、、概述 2 2，微波技术的主要应用微波技术的主要应用雷达雷达通信通信导航导航大地大地测量测量气象气象微波技术微波技术应用应用射电射电天文天文工业工业检测检测医疗医疗遥感遥感通信、雷达是应用最广的领域。通信、雷达是应用最广的领域。二、二、 微波元器件微波元器件（一）分立微波元器件分立微波元器件 1 1，无源器件，无源器件20世纪世纪6070年代，主要采用由铜或年代，主要采用由铜或者铝制作的方形波导、圆形波导。者铝制作的方形波导、圆形波导。环形隔离器环形隔离器（用于收、发用于收、发两方向信号隔离）两方向信号隔离）双脊波导可调衰减器移相器可调衰减器二、二、 微波元器件微波元器件 2 2，有源器件，有

7、源器件微波电真空器件微波电真空器件行波管放大器行波管放大器磁控管磁控管微波晶体管微波晶体管二、二、 微波元器件微波元器件（一）分立微波元器件分立微波元器件 3 3，波导中的电磁波，波导中的电磁波电磁波能量在波导内以一定的电磁波能量在波导内以一定的“模式模式”传输，波导尺寸与模式有关。传输，波导尺寸与模式有关。矩型谐振腔中电力线、磁力线分布示意矩型谐振腔中电力线、磁力线分布示意波导外面没有电磁波。波导外面没有电磁波。二、二、 微波元器件微波元器件（二）微带元器件（二）微带元器件1 1，原理，原理带状传输线带状传输线（双传输线）（双传输线）微带传输线微带传输线（单传输线）（单传输线）微带线基本结构

8、型式有两种：微带传输线和带状传输线。微带线基本结构型式有两种：微带传输线和带状传输线。微带线是单接地板固体介质传输线，带状线是双接地板空微带线是单接地板固体介质传输线，带状线是双接地板空气或固体介质传输线。气或固体介质传输线。二、二、 微波元器件微波元器件（二）微带元器件（二）微带元器件2 2，器件，器件微带线匹配的微带线匹配的50M50M功率放功率放大器大器30GHz30GHz微带毫米波耦合电路微带毫米波耦合电路印制电路板上微带线印制电路板上微带线二、二、 微波元器件微波元器件利用微带线理论可以设计微波带通滤波器；根据基片厚度、介质厚度、利用微带线理论可以设计微波带通滤波器；根据基片厚度、介

9、质厚度、介电常数等参数设计好结构样图后，利用扩散、外延、沉积、蚀刻等介电常数等参数设计好结构样图后，利用扩散、外延、沉积、蚀刻等工艺制造。工艺制造。从从9090年代开始，微带电路已开始在年代开始，微带电路已开始在3mm3mm波段用在微波集成电路中，至今波段用在微波集成电路中，至今已进入已进入1mm1mm波段。微带集成的毫米波子系统和系统已经大量用子实际工波段。微带集成的毫米波子系统和系统已经大量用子实际工程。程。由于所用材料、工艺都不同于半导体集成电路，因而不能将微波集成由于所用材料、工艺都不同于半导体集成电路，因而不能将微波集成电路和半导体集成电路等同。电路和半导体集成电路等同。微带电路是微

10、波电路集成化、固态化、小微带电路是微波电路集成化、固态化、小型化的基础。其理论、设计与制造是当前型化的基础。其理论、设计与制造是当前我国的弱项，它关系国防现代化。我国的弱项，它关系国防现代化。三、三、 微波天线微波天线（一）微波抛物面天线（一）微波抛物面天线多种形式的抛物面天线多种形式的抛物面天线（二）微波缝隙天线（二）微波缝隙天线三、三、 微波天线微波天线原理图原理图雷达平板缝隙天线实物实物三、三、 微波天线微波天线（二）微波缝隙天线（二）微波缝隙天线缝隙天线应用缝隙天线应用飞机飞机高速舰艇高速舰艇导弹导弹飞船飞船雷达雷达缝隙天线缝隙天线应用应用缝隙天线外有保护层，不易发现。缝隙天线外有保护

11、层，不易发现。三、三、 微波天线微波天线（三）微带天线（三）微带天线微带天线可用于微带天线可用于1 150GHz50GHz。主要优点：剖面薄、体积小、。主要优点：剖面薄、体积小、重量轻、易于结构造型、易集成、成本低和容易制作等。重量轻、易于结构造型、易集成、成本低和容易制作等。四、四、 平面微波电路平面微波电路（一）混合微波集成电路混合微波集成电路微波混合集成电路有：微带混频器、微波低噪声放大器、功率放大器、微波混合集成电路有：微带混频器、微波低噪声放大器、功率放大器、倍频器、相控阵单元等各种宽带微波电路。倍频器、相控阵单元等各种宽带微波电路。实物图实物图四、四、 平面微波电路平面微波电路混合

12、微波集成电路内部结构混合微波集成电路内部结构四、四、 平面微波电路平面微波电路 小结 与分立微波元件相比，混合微波与分立微波元件相比，混合微波集成电路可以大大减小微波器件的体集成电路可以大大减小微波器件的体积。但由混合微波集成电路构成的设积。但由混合微波集成电路构成的设备仍大，各单元间的连接严重影响了备仍大，各单元间的连接严重影响了设备的可靠性。随着集成电路的工作设备的可靠性。随着集成电路的工作频率不断向微波高端延伸，对单片微频率不断向微波高端延伸，对单片微波集成电路的需求日益迫切。波集成电路的需求日益迫切。（二）单片微波集成电路（二）单片微波集成电路四、四、 平面微波电路平面微波电路 MMI

13、CMMIC的制作过程与一般半导体的制作过程与一般半导体ICIC有相似之处，需经过版图设计、制作、有相似之处，需经过版图设计、制作、测试与封装等阶段。但测试与封装等阶段。但MMICMMIC的设计、制作工艺和封装都与一般半导体的设计、制作工艺和封装都与一般半导体ICIC不同。不同。 1.MMIC 1.MMIC的版图的版图811GHZ功率放大级芯片版图功率放大级芯片版图激励放大器芯片布线激励放大器芯片布线功率功率控制控制电路电路芯片芯片布线布线四、四、 平面微波电路平面微波电路（二）单片微波集成电路（二）单片微波集成电路 2.MMIC 2.MMIC的版图设计的版图设计 以以VirtuosoVirtu

14、oso模拟模拟/ /数字混合射频仿真软件为例，进行版图设计。数字混合射频仿真软件为例，进行版图设计。 第一步，根据设备指标需求，拟定系统组成框图（以第一步，根据设备指标需求，拟定系统组成框图（以5.25GHz 5.25GHz 典型高典型高频收发系统为例）给出各单元电路的性能指标及各单元的电原理图。频收发系统为例）给出各单元电路的性能指标及各单元的电原理图。第二步，射频收发系统的整体电路仿真第二步，射频收发系统的整体电路仿真系统电路布局系统电路布局 系统芯片测试点设置系统芯片测试点设置把所有模块连成系统，加上衬垫、静电保护等构成一个完整的芯片系统。把所有模块连成系统，加上衬垫、静电保护等构成一个

15、完整的芯片系统。设置测试点，对这个系统加上激励信号，观察输出，进行仿真测试。设置测试点，对这个系统加上激励信号，观察输出，进行仿真测试。四、四、 平面微波电路平面微波电路第三步，输出版图，并进行后仿真第三步，输出版图，并进行后仿真单单片片射射频频收收发发芯芯片片版版图图后仿真包括：全面测试系后仿真包括：全面测试系统性能、干扰、稳定性等。统性能、干扰、稳定性等。观察各项指标是否符合预观察各项指标是否符合预定要求。后仿真是系统级定要求。后仿真是系统级在各项指标符合要求后，在各项指标符合要求后，可进行下一步生产版图的可进行下一步生产版图的设计。通常生产版图是由设计。通常生产版图是由生产厂完成。生产厂

16、完成。版图设计（电路仿真）是一个反复进行的过程，其中版图设计（电路仿真）是一个反复进行的过程，其中包括修改单元电路方案、调整元件参数、版图布局等，包括修改单元电路方案、调整元件参数、版图布局等，最终才能达到系统的整体优化。最终才能达到系统的整体优化。四、四、 平面微波电路平面微波电路 小结小结 微波电路的设计仿真软件是电子信微波电路的设计仿真软件是电子信息系统、器件或单元电路模块设计广泛息系统、器件或单元电路模块设计广泛采用的工具，这不仅可大大提高了设计采用的工具，这不仅可大大提高了设计效率、质量，同时也是技术工作方式的效率、质量，同时也是技术工作方式的变革：懂得系统原理，具有实际知识，变革：

17、懂得系统原理，具有实际知识，会使用仿真软件，就可以设计出系统。会使用仿真软件，就可以设计出系统。了解电路设计工程实际中的这一状况，了解电路设计工程实际中的这一状况，应有助于大学专业课程的学习与能力培应有助于大学专业课程的学习与能力培养。养。四、四、 平面微波电路平面微波电路四、四、 平面微波电路平面微波电路（三）微波集成电路的封装（三）微波集成电路的封装 封装技术是实现微波器件小型化的重要手段。采用多芯片组件（封装技术是实现微波器件小型化的重要手段。采用多芯片组件（MCMMCMMulti-Chip ModuleMulti-Chip Module），可以省去），可以省去MMICMMIC之间的高频

18、接头，进一步实现小型化。之间的高频接头，进一步实现小型化。多芯片组装是一项激动人心的微电子技术，该技术对电子信息产品发展的多芯片组装是一项激动人心的微电子技术，该技术对电子信息产品发展的影响无法估量。影响无法估量。 MCM MCM用于微波组件封装具有特别的重要性和技术难度。近年发展了一种用于微波组件封装具有特别的重要性和技术难度。近年发展了一种低温共烧陶瓷（低温共烧陶瓷（LTCC,Low Temperature Co-fired CeramicsLTCC,Low Temperature Co-fired Ceramics）的三维微波）的三维微波多层结构组件技术，它通过微波传输线（如微带线、带状

19、线、共面波导）、多层结构组件技术，它通过微波传输线（如微带线、带状线、共面波导）、逻辑控制线和电源线的混合信号设计，将单片微波集成电路逻辑控制线和电源线的混合信号设计，将单片微波集成电路MMICMMIC芯片与收芯片与收/ /发模块组合在同一个三维微波多层结构组件中。发模块组合在同一个三维微波多层结构组件中。MMICMMIC芯片组件芯片组件LTCCLTCC封装结构示意封装结构示意MMICMMIC芯片组件封装结构示意芯片组件封装结构示意MCMMCM封装技术可实现微波组件的三维结构，缩小了体积，提高了设备可靠性。封装技术可实现微波组件的三维结构，缩小了体积，提高了设备可靠性。该技术已从军用向民用扩展

20、，如汽车雷达（该技术已从军用向民用扩展，如汽车雷达（767677GHz77GHz的的MMICMMIC模块）巡航控制、模块）巡航控制、无线局域网收无线局域网收/ /发模块、通信网络组件、蓝牙收发模块、通信网络组件、蓝牙收/ /发模块和天线开关模块、手机发模块和天线开关模块、手机等设备中。它有广阔市场。等设备中。它有广阔市场。四、四、 平面微波电路平面微波电路五、五、 微波电路与系统微波电路与系统 设计工具简介设计工具简介传统的设计方法已经不能满足微传统的设计方法已经不能满足微波电路设计的需要波电路设计的需要, ,使用微波使用微波EDA EDA （Electronic Design Electro

21、nic Design AutomationAutomation）软件工具进行微波）软件工具进行微波元器件与微波系统的设计已经成元器件与微波系统的设计已经成为微波电路设计的必然趋势。为微波电路设计的必然趋势。 （一）微波电路设计的发展趋势（一）微波电路设计的发展趋势电路的尺寸电路的尺寸要求越做越小要求越做越小电路的功能电路的功能越来越多越来越多对电路的指标对电路的指标要求越来越高要求越来越高系统的设计系统的设计越来越复杂越来越复杂设计周期设计周期越来越短越来越短微波微波EDAEDA工具是电磁场理论数学方程求解的计算机程序化。工具是电磁场理论数学方程求解的计算机程序化。学好学好“高等数学高等数学”

22、将有助于从事创新设计软件工具开发。将有助于从事创新设计软件工具开发。五、五、 微波电路与系统微波电路与系统 设计工具简介设计工具简介 （二）微波电路与系统设计的仿真软件（二）微波电路与系统设计的仿真软件1 1，基于矩量法的微波仿真软件基于矩量法的微波仿真软件ADS仿真软件仿真软件Sonnet仿真软件仿真软件 Zeland IE3D仿真软件仿真软件Microwave Office 软件软件Ansys公司的公司的FEKO 软件软件nsoft Designer2 2，基于时域有限差分法的微波仿真软件基于时域有限差分法的微波仿真软件Zeland FIDELITY 仿真软件仿真软件IMST Empire

23、 仿真软件仿真软件 XFDTD 仿真软件仿真软件3 3，其它，其它微波仿真软件微波仿真软件Ansoft HFSS有限元的微波仿真软件有限元的微波仿真软件时域积分法（时域积分法（FITD）仿真软件）仿真软件模拟模拟/数字混合射频仿真软件（数字混合射频仿真软件（Virtuoso ）仿真软件众多，仿真软件众多，这是当前电子这是当前电子系统工程师的系统工程师的最重要的设计最重要的设计工具之一。各工具之一。各软件工具都各软件工具都各具特色，只有具特色，只有在要应用时才在要应用时才需要去详细熟需要去详细熟悉、掌握。悉、掌握。六、六、 我国微波集成电路我国微波集成电路 状况状况 MCM MCM技术有二维和三

24、维。国外二维技术有二维和三维。国外二维MCMMCM技术己成熟，三维技术己成熟，三维MCMMCM系统集成系统集成技术在高速发展。目前，国外三维技术在高速发展。目前，国外三维MCMMCM技术主要应用于航天、航空、军技术主要应用于航天、航空、军事和大型计算机等领域。事和大型计算机等领域。 目前我国微波集成电路的发展水平和国外有较大差距，微波薄膜电目前我国微波集成电路的发展水平和国外有较大差距，微波薄膜电路完全依赖进口，如涉及敏感频段（如毫米波）往往设置了种种限制，路完全依赖进口，如涉及敏感频段（如毫米波）往往设置了种种限制，已成为制约我国微波产业技术水平提升的瓶颈。已成为制约我国微波产业技术水平提升的瓶颈。 其差距主要表现在：一是单片微波集成电路（其差距主要表现在：一是单片微波