-
毫米波技术的国内外发展现状与趋势
chenpufeng@
【主要整理与翻译自“
mm-Wave
Silicon
Technology,
60GHz
and
Beyond,
Ali
M.
Niknejad,
Hossein Hashemi, Springer 2008
”
，以及部分网络资料，如有侵权请勿怪！
】
随着千兆比特流（<
/p>
Gb/s
）点对点链接通信、大容量的无线局域网（
WLAN
）
、短距离高速无线个人局
域网（
WPAN
）和车载雷达等高速率宽频带通信应用
的市场需求不断扩大，设计实现具有高集成度、高性
能、低功耗和低成本的毫米波单片集
成电路（
MMIC
）迫在眉睫。
毫米波可以广泛应用于军事雷达系
统、
射电天文学和太空以及短距离无线高速传输等领域。
采用<
/p>
GaAs
或
InP
基的毫米波频段的
MMIC
已经应用于军事上的雷达和卫星通
信中。由于
GaAs
和
InP
材料具有较高
的电子迁移率和电阻率，因此电路可以获得较好的
RF
性能，但成本较高。由于受到成本和产量的限制，
< br>毫米波产品还没有真正实现商业化。作为成熟的工艺，
Si
基
CMOS
具有低成本、低功耗以及能与基带
IC
模块的工艺相兼容等优点，但是与
GaAs
相比，其在高频性能和噪声性能方面并不具备优势。然而，随着
深亚微
米和纳米工艺的日趋成熟，设计实现毫米波
CMOS
集成电路已
经成为可能。
< br>近年来，美、日、韩等国相继开放了无需授权使用的毫米波频段（北美和韩国
57
-64GHz
，欧洲和日
本
59-66
GHz
）
，
从而进一步刺激了对毫米波
CMOS
技术的研究。
可以预期，
在今后几年里，
毫米波
CMOS
技术将会突飞猛进，成为设计毫米波
MMIC
的另
一种有效的选择。
硅基毫米波的研究起始于
2000
年左右，同年
Berkeley
的无线研究中心专门设立了
60GHz
项目，但
是当时很少有人认为硅技术能够应用于<
/p>
60GHz
频段。
而时至今日，
毫米波的研究已经从一项模糊的课题演
变至今日的研究热点，引起了工业
界与风险投资商的浓厚兴趣。目前，该项研究已经拓展到了商业领域，
NEC
、三星、松下和
LG
等消费类电子厂商共同成立了
WirelessHD
联盟来推动
60
GHz
技术在无压缩高清
视频传输中的应用，并于
2007
年制定了相关协议白皮书。
为何是毫米波？
基于香农定理，
我们知道通信信道的
最大数据速率，
即信道容量
C
，
与信道的带宽
BW
和信噪比
< br>SNR
具有如下关系
C=BW
?
log2(1+SNR)
。
上式表明增
加通信数据速率的一个方法就是使用更宽的带宽。
信号的
关联信
息通常被调制在一个载波频率附近，因此，在更高的载波频率处可以获得更宽的带宽。美国的
FCC
已经分配了几个毫米波的频带用于无线通信的数据传输，如
< br>22-29GHz
频带分配给短距离应用（如
park
assist
，
stop-and-
go
，
blind spot detection
）
，
77GHz
频带用于
长距离的自动巡航控制。
第二个影响通信数据率的因素是系统整体的
SNR
。不利的是，对于给定距离，在高频处接收到的信
号由于以下因素会经受更多的衰减
：首先，天线尺寸与载波频率成反比，载波频率越高，天线尺寸越小，
导致收集的能量也
更少；第二，在高频处空气以及其他物质的高吸收导致信号衰减；第三，多径效应导致
信
号衰减。
更低的
SNR
减小了通信系统
在固定距离下的数据速率或减小了无线通信的距离。
干扰信号也会
表现得像噪声一样，减小了
SNR
。有利的是，在高频处的大
量的衰减，减少了干扰信号水平，也减少了多
径成分；后者引起更小的延迟扩散，使得<
/p>
60GHz
这样的毫米波频段非常适合用于短距离的高速无线传输
。
毫米波的独特应用
毫米波的潜在应用，包括毫米波成像（
mm-wave
imaging
）
、亚太赫兹（
sub-THz
）化学探测器，以
及在天文学、
化学、
物理、
医学和安全方面的应用。
感兴趣的重要频率包括
90GHz
、
140GHz
，
以及
300GHz
以上或者叫做
THz
区域
。
之所以选择致力于这些频点的研究，
是因为考虑到其在空气中
传播时的信号衰减。
很明显，存在各种窗户使得衰减或者最大化或者最小化。
60GHz
频带由于氧气的吸收，使得它适合于短距
离网络应用。而其他的频带，如
90GHz
是长距离成像的理
想选择。
汽车雷达
成像领域的一个很重要的应用是工作于
24GHz
和
77GHz
的汽车雷达。
今天仅有非常奢侈的汽车装备
了毫米波雷达技术。该技术可以在低能见度情况下帮助汽车
驾驶，尤其是大雾的天气，以及自动巡航控制
和甚至未来高速公路的自动驾驶。
用于医学应用的毫米波成像
毫米波技术的另一个潜在应用是无源毫米波成像
（
passive mm-wave imaging
）
。
仅通过检测物体在毫
米波频带的
热量辐射，物体的图像就可以像光学系统一样呈现出来。需要或者是一组接收机或者是移动的
终端天线来不停地扫描感兴趣的区域。
高清视频的无线传输
NEC
、
三星、松下和
LG
等消费类电子厂商共同成立了
WirelessHD
联盟来推动
60GHz
技术在无压
缩高清视频传输中的应用。
其他的毫米波技术应用还包括肿瘤检测的医学成像，温度测量
，血液循环和水分、氧分测量。在过去
的二十年里，这些应用都被强烈地探索着，但是，
大部分研究停止或放弃了，原因在于这些传统的系统竞
争不过已经存在的
MRI
或者
X
射线
CAT
扫描系统。由于波长太长，这些系统的精度很差。随着硅技术允
许大量的接收机阵列被低成本地实现在一块小面积上，我们相信这些应用会重新出现。而且随
着频率被推
到更高频点，如
100GHz
以上，波长变得更小，还将出现新的应用领域。
毫米波研究的发展现状
毫米波
G
aAs
集成电路
近年来，在微波、毫米波单片集成电路领域内，最引人注目的
是美国国防部发展军事微电子电路总计
划之一的
MMIC
计划，
此计划总的目标是开发
1-100GH
z
频率范围内的各种单片电路
,
且要求
其成本低、
性
能好、体积小、可靠性高、能批量产生。
功率
MMIC
随着卫星通信，
相控阵雷达和电子战
系统的发展，对功率
MMIC
放大器的需求日益增长，已成为研
究
的重要领域。
在
18GHz
以下主要是
GaAs MESFET
和
HBT
功率
MMIC
放
大器。
在
18GHz
以上，
则是
PHEMT
的功率
M
MIC
放大器。
松下已开发出数字移动通信机用的可低压工作的
GaAs
功率
MMIC
。采
用数字调谐方式的移动通信机
的发射功放要求低功耗和低失真特性，但是近年来通信机的
电流、电压逐步降下来，这对相互矛盾的特性
很难两全。
针对这一问题，松下专门在
FET
的结构和电路结构的最佳化上下功夫。在
FET
结构方面，通过采用
最佳栅长及最佳源、漏间距。实现
了
1.2V
的提升电压，为此成功地实现了
3.0V
下也能工作的高效
FET
。
在电路结构方面，通过把漏偏压电路设置在外部，从而防止了加到
FET
上的电源电压下降，成为低压下能
够工作的电路结构
。
另外
，模拟出了增益、效益最大，相位漂移量最小的最佳负载电路，正因为在
MMIC
上实现这一最佳
负载电路，所以获得了低失真。
采用以上这些技术开发的
GaAs
功率
MMIC
，其功率附加效率为
40
％，邻接沟道漏泄功率为
-56dBc
，
片子尺寸为
1.0mm
×
1.6mm
。
Mitsubishi
Electronic
研制成用于
Ka
波段通信系统的
MMIC
二级功率放大器，在
30GHz
，输出功率
为
1.44W
，芯片尺
寸为
1.94mm
×
2.0mm
。
TRW
公司采用
0.508dmm
厚
PHEMT
MMIC
和氧
化铝微带组合器研制成
3WQ
波段
PH
EMT
MMIC
功率放大器模块，在
45GHz
下，峰值效率为
25
％。<
/p>
Sand
ers
公司研制成型号为
SGPA
07006
CC
二级单片微波集成电路功率放大器，
频率为
37-40GH
z
。
采用本公司的
0.15μm
GaAs PHEMT
工艺。
Triquint
Seniconductor
公司采用
0.25μm PHEM
T
技术研制成
3.48mm
，
0.5W
，
40GHz
功率放大器
MMIC
，在
6V
漏偏置条件下，二级功率放大器获得小信号增益为
15.6dB
，在
1dB
增益压缩下，输出功率
为
26.5dBm
，饱和输出功率为
27.9dBm
，功率附加效率为
26.6
％。
2
TRW
公司采用
0.1μm
AlGaAs/InGaAs/GaAs T
栅功率
PHEMT
研制成二极单片
W
波段功率放大器。<
/p>
这种
MMIC
功率放大器在
94GHz
下线性增益为
8dB
，最大输出功率为
300mW
，峰值功率附加效率为
10.5
％，衬底厚度为
0.508dmm<
/p>
。
台湾大学研制成许多单片
W
波段功率放大器，
并可用于远红外本机振荡器和亚毫米波望远镜
（
FRIST
）
。
这些芯片包括复盖大多数
W
波段的三个激励器和三个功率放大器，
例如频率范
围为
72-81GHz
、
90-101
GHz
和
100-113GHz
。
每种激励放大器和功率放大器分别可提供最小的
20dBm
和
22dBm
（
160
mW
）
。
100-113GHz
功率放大器在
105GHz
时的峰值功率大于
250mW
（
25dBm
）
，
这是目前超过
100G
Hz
单片放
大器的最大输出功率。
这些
单片芯片采用
0.1μmAlGaAs/InGaAs/GaAs T
< br>栅功率
PHEMT
的技术制作，
GaAs
衬底为
0.508dmm
。<
/p>
日本
Fujitsu Quantum Device Ltd
研制低成本金属陶瓷封装的
K
波段大功
率
MMIC
放大器模块，
并可
应用于
K
波段高速无线系统。
< br>这种模块由一个激励放大器
MMIC
和一个功率放大器<
/p>
MMIC
组成，
在
23GHz
和
26GHz
下总的增益
为
30dB
，
P1dB
为
33dB
。这种模块总的性能
G
（
dB
）×△
f/fo
为以前的二倍。
TRW
的
RF Product Ce
nter
报道了相关功率增益
21.5dB
的
6W
、
24
％
PAE Ka
波段功率模块。功率
模块由激励放大器、二级功率放大器芯片组成。这种
MMIC
放大器采用
0.15μm
InGaAs/AlGa
As/GaAs
HEMT
技术制作在
0.508dmm
厚的衬底上，
激励放大器的输出功率为
27.5dBm
，
功率增益为
10.7dB
，
PAE
为
27
％。输出功率放大器采用混合的方法，由二片局部匹配
MMIC
芯片和
8
路
Wilkins
on
组合器（制作在
氧化铝衬底上）组成。这种
MMIC
功率放大器的输出功率为
35.4dBm
（
3.5W
）
，<
/p>
PAE
为
28
％
，相关增益
为
11.5dB
。
8
路组合器的插入损耗为
0.6dB
。
低噪声
MMIC
放大器
Mistubish
Electric Corp
采用栅长为
0.15μm
的
PHEMT(AlGaAs/InGaAs/GaAs)
研制成
Ka
波段单片低
噪声
二级放大器，放大器在
32GHz
下的相关增益为
18.0dB
时，噪声系数为
1.0dB
。
日本富士通公司研制成用于
LMDS
（
LocalMulti
－
PointDistrbut
ionService
）
和卫星通信的小型、
< br>宽带、
高增益
K
波段
PHEMTLNAMMIC
。增益和噪声系数在
2
3-30GHz
下分别为
14.5
±<
/p>
1.5dB
和
1.7
±
0.2dB
。
MMIC
的芯片尺寸为
0.9mm
。这种
MMIC
的增益密度高达
14.4dB/mm
，这是目前所报道的最高水平。
2
2
TRW
公司采用
0.15μm AlG
aAs/InGaAs/GaAsHEMT
工艺技术研制成高可靠
Ka
波段低噪声
MMIC
放
大器。在
Vds=25.2V
，和
Ids=250mA/mm
的
DC
< br>偏置下工作，在三个温度（
Tambient=235
℃
Ta=250
℃，
Ta=265
℃）对二级平衡放大器进行了寿命测试。用在室温测定的△
S21=1
.0dB
确定每种温度的失效时间。
Ea
为
1.6eV
，在
125
℃结温下，
MTF
（
me
diam
time
to
failare
）为
7
×<
/p>
1019
小时。
变频器
UK Defence Evaluation
Research Ageney
研制成用于卫星通信接收机的多功能
< br>MMIC
，工作频率为
43.5-45.3GHz
。该电路采用
25μm
PHEMT
GaAs
InAsGa
AlGaAs
生产工艺在
GEC
Marconi
Materials
Technology Ltd
制作。多功能
< br>MMIC
在一块芯片上集成一个低噪声放大器、下变频器、本机振荡器、倍频
器和缓冲放大器。其芯片尺寸为
3.0mm
×
3.8mm
。噪声系数为
4.3dB
，本机振荡器在
0dBm
时的变频增益
为
8dB
。
倍频器、混频器
The Universityof
Leeds
研制成新型
77GHz MMIC
< br>自振荡混频器。
混频器采用单个
PHEMT
同时做混
频和倍频。这种混频器在
77GHz
下的变频损耗为
12dB
，
< br>70-85GHz
的平均变频损耗为
15dB
。
收
/
发
MMIC
德国
Fraunhofer Institutefor
Applide Solid Statephysics(IAF)
采用双栅
PHEMT
研制成应用于
FMCW
雷达系统的小型共面收
/
发
MMIC
。该芯片由二级中功率放大器，一个单端电阻混频器，一个环形波导耦合
器组成，采用
0.15μm GaAs PHEMT
< br>技术。在
77GHz
下，输出功率为
10dBm
，变频损耗为
1.5dB
，芯片
尺寸仅为
1.75mm
×
1.75mm
。
其它
MMIC
德国
Si
emens
公司研制成用于毫米波的传感器，
特别是汽车雷达系
统应用的单片单元
（
set
）
。
它由高
集成收发芯片、一个压控振荡器、一个
谐波混频器和中功率放大器组成，这种
MMIC
的工作频率范围
为
76-77GHz
用
GaAs
PHEMT
来制作。
Fujitsu Quantum Devices
Limited
采用倒装技术和
0.15μm
InGaAs/GaAs HEMT
工艺研制用于毫米波
汽车雷
达的
76GHz MMIC
芯片。
芯片
单元由一个
76GHz
放大器
（芯片尺
寸为
1.2mm
×
1.9mm
）
、
一个
76GHz<
/p>
混频器
（
1.9mm
×
2.4mm
）
、
76GHz
几个
SPDT
开关
（
1.2mm
×
1.9mm
）
、
一个
38-76GHz
倍频器
（
1
.9mm
×
2.4mm
）
、
一个
38GHz
压控振荡
器
（
1.2mm
×
1.9mm
）
和一个
38GHz<
/p>
缓冲放大器组成。
日本
Hitachi
Ltd
，
Central Research Lad.
研制成用于汽车远程雷达
77GHz
全
MMIC
。
为了满足汽车系统的要求，需要研制
W
波段
MMIC
。为了适应频率调制连
续（
FMCW
）雷达系统设
计了许多<
/p>
MMIC
。采用高可靠
0.18μm H
JFET
制作工艺制造毫米波
MMIC
。
NE
C
公司为此研制用于低成本汽车雷达的小型、高可靠
76GHz
MMIC
芯片单元。这种芯片单元由一
个输出功率为
15.2dBm
放大器、
一块输出功率为
11.0dBm
的发射机
MMIC
和一块具有
-4.6dB
变频增益的
接收机组合。
Frace
Uniteal
Monolitic
Semiconducters
研制成应用于
76.5GHz
适应航行（
ACC
）汽车雷达的毫米
波前端。这种
ACC
雷达基于
FSK
（
FrequeneyShiftKeying
）
。毫米波模块采用
3
块
M
MIC
组成单芯片单元
来制作。三块
M
MIC
分别为本机振荡器芯片、功率发射芯片和下变频接收芯片。
德国
InfineonTechnologies
公司采用
0.13
μm
栅
（
HMET110
）
和
0.18μm
栅
（
HMETTP60
）
GaAs PHEMT
技术研制成二种芯片单元，并可应用于本地多点分配服务（
LMDS
）系统中。设计频率范围为
24-
27GHz
和
27-31GHz
。二种
芯片单元包括在
1dB
压缩下（小信号增益为
< br>17dB
）
，输出功率为
27d
Bm
的二级大功
率放大器；具有
P1d
B=22dBm
（
17dB
小信号增益
）的二级中功率放大器；增益为
20dB
，噪声系数小于
3dB
的三级
LNA
；具有
9dB
变频损耗的一个单平衡混频器和倍频器（二倍频器
为
24-27GHz
，三倍频器为
-
-
-
-
-
-
-
-
-
上一篇：抖音吸引人点赞关注的句子
下一篇：奥迪A4L隐藏功能大揭秘及教程