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毫米波技术及芯片详解
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导读
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毫米波技术方面，
结合目前一些热门的毫米波频段的系统应用，
如毫米波
通信、毫米波成像以及毫米波雷达等，
对毫米波芯片发展做了重点介绍。
由于毫米波器件的成本较高，
之前主要应用于军事。
然而随着高速
宽带
无线通信、汽车辅助驾驶、安检、医学检测等应用领域的快速发展，
近年来毫
米波在民用领域也得到了广泛的研究和应用
。
目前，
6 GHz
以下的黄金通信频
段，
已经很难得到较宽的连续频谱，
严重制约了通信产业的发展。
相比之
下，
毫米波频段却仍有大量潜在的未被充分利用的频谱资源。
因此，
毫米波成为第
5
代移动通信的研究热点。
2015
年在
WRC2015
大会上确定了第
5
代移动
通信研究备选频段：
24.25-27.5 GHz
、
37
-40.5GHz
、
42.5-43.5
GHz
、
45.5-47
GHz
、
47.2-50.2
GHz
、
50.4-52.6
GHz
、
66-76 GHz
和
81-86
GHz
，
其中
31.8-33.4
GHz
、
40.5-42.5 GHz
和
47-47.2 GHz
在满足特
定使用条件下允许
作为增选频段。
各
种毫米波的器件、
芯片以及应用都在如火如荼的开发着。
相
对于微波频段，
毫米波有其自身的特点。
首先，
毫米波具有更短的工作波长，
可以有效减小器件及系统的尺寸
;
其次，
毫米波有着丰富的频谱资源，
可以胜
任未来超高速通信的需求。
此外，
由于波长短，
毫米波用在雷达、成像
等方
面有着更高的分辨率。
到目前为止，
人们对毫米波已开展了大量的研究，
各
种毫米波系统已得到广泛的应用。
随着第
5
代移动通信、汽车自动驾驶
、安检
等民用技术的快速发展，
毫米波将被广泛应用于人们日常生活的方方面面。
毫米波技术方面，
结合目前一些热门的毫米波频段的系统应用，
如毫米波
通信、毫米波成像以及毫米波雷达等，
对毫米波芯片发展做了重点介绍。
1
、毫米波芯片
传统的毫米波单片集成电路主要采用化合物半导体工艺，
如砷化镓
(GaAs)
、
< br>磷化铟
(InP)
等，
其在毫米波频段具有良好的性能，
是该频段的主流集成电路
工艺。
另一方面，
近十几年来硅基
(CMOS
、
SiGe
等
)
毫米波亚毫米波集成电
路也取得
了巨大进展。
此外，
基于氮化镓
(GaN)
工艺的大功率
高频器件也迅
速拓展至毫米波频段。
下面将分别进行介绍。
1.1
GaAs
和
InP
毫米波芯片
近十几年来，
GaAs
和
InP
工艺和器件得到了长足的进步。
基于
该类工
艺的毫米波器件类型主要有高电子迁移率晶体管
(HEM
T)
、改性高电子迁移率晶
体管
(mH
EMT)
和异质结双极性晶体管
(HBT)
< br>等。
目前
GaAs
、
mHEMT
、
InP
、
HEMT
和
InP HBT
的截止频率
(ft)
均超过
500
GHz
，
最大振荡频率
(fmax)
均
超过
1THz. 2015
年美国
Northrop Grumman
公司报道了工作于
0.85 THz
的
InP
HEMT
放大器，
2013
年美国
Teledyne
公司与加州
理工大学喷气推进
实验室报道了工作至
0.67 THz
的
InP HBT
放大器，
2012
年和
2014
年德国
弗朗霍夫应用固体物理研究所报道了工作频率超过
0.6 THz
的
mHEMT
放大器。
1.2 GaN
毫米波芯片
GaN
作为第
3
代宽禁带化合物半导体，
具有大的禁
带宽度、高的电子迁
移率和击穿场强等优点，
器件功率密度是<
/p>
GaAs
功率密度的
5
倍以上，
可显著
地提升输出功率，
减小体积和成本。
随着
20
世纪
90
年代
GaN
材料制备技
术的逐渐成熟，
GaN
器件和电路已成为化合物半导体电路研制领域的热点方
向，
美国、
日本、
欧洲等国家将
GaN
作为微波毫米波器件和电路的发展重点。
近十年来，
GaN
的低成本衬底材料碳化硅
(SiC)
也逐渐成熟，
其晶格结构与
GaN
相匹配，导热性好，
大大加快了
GaN
器件和电路的发展。
近年来
GaN
功率器件在毫米波领域飞速发展，
日本
Eudyna
公司报道了
0.15 m
栅长的器
件，
在
30 GHz
功率输出密度达
13.7 W/mm.
美国
HRL
报道了多款
E
波段、
W
波段与
G
波段的
GaN
基器件，
W
波段功率密度超过
2
W/mm
，
在
180
GHz
上功率密度达到
296
mW/mm.
国内在微波频段的
GaN
功率器件已基本
成熟，到
W
波段的
GaN
功率器件也取得进展。
南京电子器件研究所研制的
Ka
波段
GaN
功率
MMIC
在
3436 GHz
频带内脉冲输出
功率达到
15W
，
< br>附
加效率
30%
，
功率增益大于
20
dB
。
1.3
硅基毫米波芯片
硅基工艺传统上以数字电路应用为主。
随着深亚微米和纳米工艺的不断发
展，
硅基工艺特征尺寸不断减小，
栅长的缩短弥补了电子迁移率的不足，
从
而使得晶体管的截止频率和最大振荡频率不断提高，
这使得硅工艺在毫米波甚
至太赫兹频段的应用成为可能。
国际半导体蓝图协会
(InternaTIonal
Technology Roadmap for Semiconductors)
预测到
2030
年
CMOS
工艺的
特征尺寸将减小到
5
nm
，
而截止频率
ft
将超过
700 GHz.
德国
IHP
研究所
的
SiGe
工艺晶体管的截止频率
ft
和最大振
荡频率
fmax
都已经分别达到了
30
0
GHz
和
500
GHz
，相应的硅基工艺电路工作频率可扩展到
200 GHz
以上。
由于硅工艺在成本和集成度方面的巨大优势，
硅基毫米波亚毫米波集成电
路的研究已成为当前的研究热点之一。
美国佛罗里达大学设计了
410 GHz
CMOS
振荡器，加拿大多伦多大学研制了基于
SiGe HBT
工艺的
170 GHz
放
大器、
160 GHz
混频器和基于
CMOS
工艺的
140 GHz
变频器，美国
加州大
学圣芭芭拉分校等基于
CMOS
工艺研制了
150 GHz
放大器等
，美国康奈尔大
学基于
CMOS
工艺研制了
480 GHz
倍频器。
在系统集成方面，
加拿大多伦
多大学设计了
140
GHz CMOS
接收机芯片和
165 GHz SiGe
的片上收发系统，
美国加州大学柏克莱分校首次将
60 GHz
频段硅基模拟收发电路与数字基带处
理电路集成在一块
CMOS
芯片上，
新加坡微电子研究院也实现了包括在片天线
的
60 GHz CMOS
收发信机
芯片，
美国加州大学洛杉矶分校报道了
0.54 THz
的
频率综合器，
德国乌帕塔尔综合大学研制了
820 GHz
硅基
SiGe
有源成像系
统，
加州大学伯克利分校采用
SiGe
工艺成功研制了
380 GHz
的雷达系统。
日本
NICT
等基于
CMOS
工艺实现了
300
GHz
的收发芯片并实现了超过
10
Gbps
的传输速率，
但由于没有功率放大和低噪声电路，
其传输距离非常短。
通过采用硅基技术，
包含数字电路在内的所有电路均可集成在单一芯片上，
因
此有望大幅度降低毫米波通信系统的成本。
在毫米波亚毫米波硅基集成电路方面我国大陆起步稍晚，
但在国家
973
计
划、
863
计划和自然科学基金等的支持下，
已快速开展研究并取得进展。
东