-
.word
格式
,
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，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。
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
59-66GHz
）
，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
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
60GHz
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？
,
专业
.
专注
.
.word
格式
,
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
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
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<
/p>
成分；后者引起更小的延迟扩散，使得
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 ima
ging
）
、亚太赫兹（
sub-TH
z
）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
、
< br>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
9
0GHz
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。
,
专业
.
专注
.
.word
格式
,
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
Wireless
HD
联盟来推动
60GHz
技术在无压
缩高
清视频传输中的应用。
<
/p>
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
GaAs
集成电路
,
专业
.
专注
.
.word
格式
,
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
1-100GHz
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<
/p>
功率
MMIC
放大器。在
18GHz
以上，则是
PHEMT
的功
率
MMIC
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
< br>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。
< br>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
< br>，输出功率
为
1.44W
，芯片
尺寸为
1.94mm
×
2.0mm
。
,
专业
.
专注
.
.word
格式
,
TRW
公
司采用
0.508dmm
厚
PHEMT
MMIC
和氧化铝微带组合器研制成
3
WQ
波段
PHEMT
MMIC
功率放大器模
块，在
45GHz
下，峰值效率为
25
％。
Sanders
< br>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
37-40GHz
。采
用本公司的
0.15μm GaAs
PHEMT
工艺。
Triquint
Senicon
ductor
公司采用
0.25μm
PHEMT
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。这
种
MMIC
功率放大器在
94GHz<
/p>
下线性增益为
8dB
，最大输出功率为<
/p>
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
（
160mW
）
。
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
100GHz
单片放大器的最大输出功率。
这些单片芯片采用
0.1μm
AlGaAs/InGaAs/GaAs T
栅功率
PHEMT
的技术制作，
GaAs
衬底为
0.508dmm
。
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。这
种模块由一个激励放大器
MMIC
和一个功率放大器
MMIC
组成，在
23GHz
和
26GHz
下总的增益为
30d
B
，
P1dB
为
33dB
。这种模块总的性能
G
（<
/p>
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
< br>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
0.508d
mm
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
,
专业
.
专注
.
.word
格式
,
< br>器的插入损耗为
0.6dB
。
低噪声
M
MIC
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<
/p>
LMDS
（
LocalMulti
－
PointDistrbutionService
）和卫星通信的小型、宽
带、高增益
K
波段
PHEMTLNAMMIC
。增益和噪声系数在<
/p>
23-30GHz
下分别为
14.5
±
1.5dB
和
1
.7
±
0.2dB
。
< br>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。<
/p>
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。
E
a
为
1.6eV
，
在
125
℃结温下，
MTF
（
mediam
t
ime
to
failare
）为
7
×
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
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<
/p>
和倍频。这种混频器在
77GHz
下的变
频损耗为
12dB
，
70-85GHz
的平均变频损耗为
15dB
。
,
专业
.
专注
.
.word
格式
,
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
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<
/p>
×
1.75mm
。
其它
MMIC
德国
Siemens
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
Ga
As 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
混
频器（
< br>1.9mm
×
2.4mm
）
、
76GHz
几个
SPDT
开关（
1.2mm
×
1.9mm
）
、一个
3
8-76GHz
倍频器（
1.9mm
×
2.4mm
）
、一
个
38GHz
压控振荡器
（
1.2mm
×
1.9mm
）
和一个
38GHz
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（
F
MCW
）雷达系统设计了许
多
MMIC
。采用高可靠
0.18μm HJFET
制作工艺制造毫米波
MMIC
。
NEC
公
司为此研制用于低成本汽车雷达的小型、高可靠
76GHzMMIC
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
（
Frequeney
ShiftKeying
）
。毫米波模块采用
< br>3
块
MMIC
组成单芯片单元来
,
专业
.
专注
.
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